Иглы
«Это открытие резко контрастирует с нынешней картиной, на которой заряд течет по плазменным каналам непосредственно из одной части облака в другую или на землю», – объясняет Олаф Шолтен, профессор физики из института KVI-CART. Гронингенский университет.
Причина, по которой иглы никогда раньше не видели, кроется в «высочайших возможностях» LOFAR, добавляет его коллега доктор Брайан Хейр, первый автор статьи: «Эти иглы могут иметь длину 100 метров и диаметр менее пяти. метров, и слишком малы и слишком недолговечны для других систем обнаружения молний."
Low Frequency Array (LOFAR) – голландский радиотелескоп, состоящий из тысяч довольно простых антенн, разбросанных по Северной Европе. Эти антенны связаны с центральным компьютером с помощью оптоволоконных кабелей, что означает, что они могут работать как единое целое.
LOFAR разработан в первую очередь для радиоастрономических наблюдений, но частотный диапазон антенн также делает его подходящим для исследования молний, поскольку разряды вызывают всплески в радиодиапазоне VHF (очень высокочастотный).
Внутри облака
Для нынешних наблюдений за молниями ученые использовали только голландские станции LOFAR, которые занимают площадь 3200 квадратных километров.
В этом новом исследовании были проанализированы необработанные временные диаграммы (с точностью до одной наносекунды), измеренные в диапазоне 30-80 МГц. Брайан Хэйр: «Эти данные позволяют нам обнаруживать распространение молний в масштабе, в котором мы впервые можем различать первичные процессы. Кроме того, использование радиоволн позволяет заглянуть внутрь грозовой тучи, где находится большая часть молний."
Молния возникает, когда сильные восходящие потоки создают своего рода статическое электричество в больших кучево-дождевых облаках. Некоторые части облака заряжаются положительно, а другие – отрицательно. Когда это разделение зарядов достаточно велико, происходит сильный разряд, который мы называем молнией. Такой разряд начинается с плазмы, небольшой области ионизированного воздуха, достаточно горячего, чтобы быть электропроводным.
Эта небольшая область перерастает в раздвоенный плазменный канал, длина которого может достигать нескольких километров. Положительные наконечники плазменного канала собирают отрицательные заряды из облака, которые проходят через канал к отрицательному наконечнику, где происходит разряд. Уже было известно, что большое количество ОВЧ-излучения производится на растущих концах отрицательных каналов, в то время как положительные каналы показывают излучения только вдоль канала, а не на концах.
Новый алгоритм
Ученые разработали новый алгоритм для данных LOFAR, позволяющий визуализировать УКВ радиоизлучение от двух вспышек молний. Антенная решетка и очень точная отметка времени на всех данных позволили им определить источники излучения с беспрецедентным разрешением. «Вблизи основной зоны LOFAR, где плотность антенн самая высокая, пространственная точность составляла около одного метра», – говорит профессор Шолтен.
Кроме того, полученные данные позволили локализовать в 10 раз больше источников УКВ, чем другие системы трехмерной визуализации, с временным разрешением в диапазоне наносекунд. В результате было получено трехмерное изображение разряда молнии с высоким разрешением.
Перерыв
Результаты ясно показывают возникновение разрыва канала разряда в месте, где образуются иглы. Похоже, что они разряжают отрицательные заряды из основного канала, которые впоследствии снова попадают в облако.
Уменьшение зарядов в канале вызывает разрыв. Однако, как только заряд в облаке снова становится достаточно высоким, поток через канал восстанавливается, что приводит ко второму разряду молнии. Благодаря этому механизму молния будет многократно ударять по одной и той же области.
Шолтен: «Излучение УКВ вдоль положительного канала связано с довольно регулярно повторяющимися разрядами вдоль ранее сформированных боковых каналов, игл. Эти иглы, кажется, истощают заряды импульсным образом.«Это совершенно новое явление, – добавляет профессор Джо Дуайер из Университета Нью-Гэмпшира (США), третий автор статьи:« Наши новые методы наблюдения показывают большое количество игл в вспышке молнии, чего раньше не видели.И Брайан Хэйр заключает: «Из этих наблюдений мы видим, что часть облака перезаряжается, и мы можем понять, почему разряд молнии на землю может повторяться несколько раз."