Генерация сверхширокополосных электромагнитных импульсов длинной искрой (молнией)
Исследователями ИПФ РАН совместно с сотрудниками высоковольтного научно-исследовательского центра (ВНИЦ) РФЯЦ-ВНИИТФ (г. Истра Московской области) и Нижегородского государственного университета впервые измерены характеристики электромагнитного излучения длинных искровых разрядов с субнаносекундным временным разрешением.
Эффекты генерации электромагнитного излучения высоковольтными разрядами на длинных воздушных промежутках представляют фундаментальный интерес и важны для приложений, связанных с мониторингом грозовой активности, защитой оборудования от высоковольтного пробоя и электромагнитных помех. Излучение на частотах до нескольких десятков мегагерц широко используется для локализации и картирования грозовых явлений, а также для оценки их энергии и динамики. Более высокочастотный диапазон измерений – гигагерцовый – освоен в меньшей степени. Между тем, в ряде публикаций последних лет указывается на то, что длинные искровые разряды (в том числе молнии) могут быть источниками короткоимпульсного микроволнового излучения, порождаемого очень быстрыми переходными процессами при взаимодействии мелкомасштабных элементов длинной искры – стримеров.
ИПФ РАН уже более 10 лет сотрудничает с ВНИЦ в области моделирования молнии при поддержке Минобрнауки России и Российского научного фонда (РНФ). Наряду с генератором импульсных напряжений 6 МВ, при этом используется созданная во ВНИЦ физическая модель грозовой ячейки, которая представляет собой генератор облака водяного пара, заряжаемого до электрического потенциала более одного мегавольта относительно земли. Установка, показанная на рисунке 1, может создавать разряды, позволяющие моделировать разные стадии молнии в условиях, максимально приближенных к натурным, и проводить детальные лабораторные исследования тонких особенностей длинного искрового разряда с использованием современной быстродействующей аппаратуры.
В недавно выполненном объединённым коллективом эксперименте было впервые зарегистрировано импульсное микроволновое излучение длинной искры в форме сверхширополосных (СШП) электромагнитных импульсов (ЭМИ). Импульсы возникают при стримерных вспышках, предшествующих главной стадии молнии, их типичные осциллограммы приводятся на рисунке 2. СШП ЭМИ имеют фронт нарастания от 50 до 100 пикосекунд и включают в себя несколько осцилляций электромагнитного поля; частотный спектр импульсов простирается почти до 10 гигагерц. Измерены абсолютные амплитудные значения напряжённостей электрического и магнитного поля, определена поляризация излучения: она близка к линейной в направлении тока разряда.
Полученные результаты необходимы для понимания динамических свойств микроволнового излучения молниевых разрядов: и как индикатора процессов в облаке, предшествующих главной стадии молнии, и как помехи для работы техники в условиях грозы. Прямые количественные измерения СШП ЭМИ, возникающих при развитии длинного искрового разряда, позволят верифицировать разрабатываемые теоретические модели и лучше понять быстропротекающие процессы в молниевом разряде.
Исследование поддержано грантами РНФ № 19-19-00501 и № 19-17-00218.
Авторский коллектив:
М.Е. Гущин, И.Ю. Зудин, С.В. Коробков, Е.А. Мареев, П.А. Микрюков, А.С. Николенко (ИПФ РАН); Ю.А. Кузнецов, М.Ю. Наумова, А.И. Орлов, Д.И. Сухаревский, В.С. Сысоев, Н.Н. Швец (РФЯЦ-ВНИИТФ); А.С. Белов (ННГУ).
Публикация:
Gushchin, M.E., Korobkov, S.V., Zudin, I.Y., Nikolenko, A.S., Mikryukov, P.A., Syssoev, V.S., Sukharevsky, D.I., Orlov, A.I., Naumova, M.Y., Kuznetsov, Y.A. Belov, A.S., Shvets, N.N., and Mareev, E.A. Nanosecond electromagnetic pulses generated by electric discharges: Observation with clouds of charged water droplets and implications for lightning // Geophysical Research Letters, 2021, 48(7), e2020GL092108.
