Российские физики зарегистрировали новую форму электромагнитного излучения длинной искры. Этот субнаносекундный импульс возникает перед главной стадией высоковольтного разряда, подобного грозовому. Знание свойств таких импульсов важно для понимания природы грозовых явлений, а также для разработок в области молниезащиты: мощные короткоимпульсные излучения можно рассматривать как поражающие факторы молнии.
Лаборатория моделирования геофизических плазменных явлений ИПФ РАН под руководством кандидата физико-математических наук Михаила Гущина активно занимается изучением импульсных излучений электрических разрядов, в том числе – молниевых. Поскольку практически невозможно предсказать, когда и где произойдет разряд молнии, для проведения экспериментов физикам приходится создавать лабораторные модели этого явления.
Отдел геофизической электродинамики ИПФ РАН, в состав которого входит лаборатория, давно сотрудничает с ВНИЦ РФЯЦ-ВНИИТФ (г. Истра Московской области). Ранее в рамках гранта Российского научного фонда под руководством ведущего научного сотрудника ВНИЦ Владимира Сысоева исследователи работали с моделью грозовой ячейки, которая представляет собой генератор облака водяного пара, заряжаемого до электрического потенциала более одного мегавольта относительно земли.
Уже тогда они предположили существование нового вида микроволнового излучения длинной искры – короткого, мощного, одиночного импульса, возникающего перед главной стадией разряда. Ученые классифицировали его как сверхширокополосный электромагнитный импульс (СШП ЭМИ).
Подтвердить догадку помог новый эксперимент. На этот раз использовался мощный генератор Маркса, который позволяет работать при импульсном напряжении до шести мегавольт и способен формировать искровые разряды длиной до нескольких десятков метров. Ученые смоделировали удар молнии в заземленный объект, при этом длина искры составляла более четырех метров.
Для постановки эксперимента необходимо было решить проблему с оборудованием, способным зафиксировать сверхкороткий импульс и измерить его параметры. Обычно приборы, предназначенные для регистрации электромагнитных сигналов, связанных с грозовой активностью, имеют микросекундное временное разрешение. Для фиксации сверхкоротких импульсов исследователи подобрали отечественное широкополосное оборудование с нано- и пикосекундным временным разрешением, разработали специальную методику измерений.
В результате экспериментов исследователи установили, что СШП ЭМИ длительностью около 200 пикосекунд и временем нарастания фронта около 100 пикосекунд наблюдаются более чем в половине положительных разрядов, и заметно реже в отрицательных разрядах.
«В течение двух экспериментальных кампаний (октябрь 2022 и сентябрь 2023) мы изучили около 300 длинных искровых разрядов и достоверно установили наличие ранее неизвестного эффекта при развитии молний. Нам удалось зафиксировать волновую форму импульсного излучения, измерить ключевые параметры. Сигнал довольно необычен по своей форме; это практически “однополярный” импульс. Он мощный, одиночный и очень короткий. Генерацию такого субнаносекундного импульса можно рассматривать как новое физическое явление», – рассказал Михаил Гущин.
Открытие ученых ИПФ РАН и ВНИЦ РФЯЦ-ВНИИТФ интересно не только для фундаментальной науки о быстрых процессах в длинном искровом разряде. Обнаруженные импульсы можно считать еще одним поражающим фактором молнии, опасным, в первую очередь, для электроники. Это явление требует дальнейшего изучения для понимания конкретных механизмов генерации импульсов и оценки возможных последствий.
Исследование проведено при поддержке Российского научного фонда. Результаты опубликованы в журнале Geophysical Research Letters.