Динамика изменения состава отрицательных ионов вокруг гидрометеоров в грозовом облаке
- Авторы: Александров Н.Л.1,2, Пономарев А.А.2,3, Сысоев А.А.2,4, Иудин Д.И.2,4
-
Учреждения:
- Московский физико-технический институт
- Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН
- Высшая школа экономики
- Приволжский исследовательский медицинский университет
- Выпуск: Том 49, № 11 (2023)
- Страницы: 1186-1204
- Раздел: НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ПЛАЗМА
- URL: https://journals.rcsi.science/0367-2921/article/view/233146
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0367292123601054
- EDN: https://elibrary.ru/ZXWWLN
- ID: 233146
Цитировать
Аннотация
В последнее время обсуждается новый механизм зарождения молниевого разряда в грозовом облаке, который основан на индуцированном шумом кинетическом переходе, заключающемся в росте концентрации атмосферных ионов во внутриоблачной среде под воздействием стохастического электрического поля движущихся в турбулентном воздушном потоке заряженных и поляризованных гидрометеоров (капли, снежинки, крупа, град). Источником шума являются всплески электрического поля, которые происходят при столкновениях или сближениях гидрометеоров и сопровождаются зажиганием бесстримерной короны. Ключевым моментом в этом сценарии является эстафетный процесс, в котором новые центры ионизации при зажигании коронного разряда возникают на фоне пятен отрицательного ионного заряда, оставшихся от расплывающихся старых центров. Это приводит к постепенному росту концентрации отрицательных ионов, которые могли бы служить источником свободных электронов при новом усилении электрического поля. В данной работе теоретически исследуется возможность отрыва электронов от отрицательных ионов, образованных в бесстримерной отрицательной короне около гидрометеоров в условиях грозового облака. Показано, что в этом случае доминирующими отрицательными ионами около коронирующих гидрометеоров являются кластерные ионы \({\text{{\CYRO}}}_{2}^{ - }{{({{{\text{{\CYRN}}}}_{2}}{\text{{\CYRO}}})}_{k}}\) и \({\text{{\CYRO}}}_{4}^{ - }\). Из расчетов следует, что при наложении сильного электрического поля электроны освобождаются не за счет прямого отрыва от кластерных ионов, а многоступенчато в последовательности, обратной той, что наблюдается в отсутствие поля при образовании кластерных ионов. В итоге для отрыва электронов от ионов типа \({\text{{\CYRO}}}_{2}^{ - }{{({{{\text{{\CYRN}}}}_{2}}{\text{{\CYRO}}})}_{k}}\) требуются достаточно умеренные допробойные приведенные электрические поля на уровне 65 Тд.
Об авторах
Н. Л. Александров
Московский физико-технический институт; Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН
Email: plasphys@pleiadesonline.com
Россия, Долгопрудный; Россия, Н. Новгород
А. А. Пономарев
Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН; Высшая школа экономики
Email: plasphys@pleiadesonline.com
Россия, Н. Новгород; Россия, Москва
А. А. Сысоев
Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН; Приволжский исследовательский медицинский университет
Email: plasphys@pleiadesonline.com
Россия, Н. Новгород; Россия, Н. Новгород
Д. И. Иудин
Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН; Приволжский исследовательский медицинский университет
Автор, ответственный за переписку.
Email: plasphys@pleiadesonline.com
Россия, Н. Новгород; Россия, Н. Новгород
Список литературы
- Rakov V.A., Uman M.A. Lightning: physics and effects. Cambridge: Cambridge University Press, 2003.
- Базелян Э.М., Райзер Ю.П. Физика молнии и молниезащиты. М.: Физматлит, 2001.
- Dwyer J.R., Uman M.A. // Phys. Rep. 2014. V. 534. P. 147.
- Crabb J.A., Latham J. // Q. J. R. Meteorol. Soc. 1974. V. 100. P. 191.
- Griffiths R.F., Phelps C.T. // J. Geophys. Res. 1976, V. 81. P. 3671.
- Gurevich A.V., Milikh G.M., Roussel-Dupre R. // Phys. Lett. A. 1992. V. 165. P. 463.
- Gurevich A.V., Zybin K.P., Roussel-Dupre R.A. // Phys. Lett. A. 1999. V. 254. P. 79.
- Гуревич А.В., Зыбин К.П. // УФН. 2001. Т. 171. С. 1177.
- Dwyer J.R. // Geophys. Res. Lett. 2005. V. 32. P. L20808.
- Иудин Д.И. // Изв. вузов. Радиофиз. 2017. Т. 60. С. 418.
- Iudin D.I., Rakov V.A., Syssoev A.A., Bulatov A.A., Hayakawa M. // NPJ Clim. Atmos. Sci. 2019. V. 2. P. 46.
- Iudin D.I., Rakov V.A., Syssoev A.A., Bulatov A.A., Hayakawa M. // Sci. Rep. 2021. V. 11. P. 18016.
- Иудин Д.И., Сысоев А.А., Раков В.А. // Изв. вузов. Радиофизика. 2021. Т. 64. С. 867.
- Иудин Д.И., Сысоев А.А., Раков В.А. // Электричество. 2022. № 11. С. 13.
- Иудин Д.И., Сысоев А.А., Раков В.А. // Электричество. 2022. № 12. С. 13.
- Иудин Д.И., Сысоев А.А., Раков В.А. // Электричество. 2023. № 1. С. 16.
- Huertas M.L., Fontan J. // Atmosph. Environment. 1982. V. 16. P. 2527.
- Ross S.K., Bell A.J. // Int. J. Mass Spectrom. 2002. V. 218. P. L1.
- Skalny J.D., Mikoviny T., Matejcik S., Mason N.J. // Int. J. Mass Spectrom. 2004. V. 233. P. 317.
- Nagato K., Kim C.S., Adachi M., Okuyama K. // Aerosol Sci. 2005. V. 36. P. 1036.
- Nagato K., Matsui Y., Miyata T., Yamauchi T. // Int. J. Mass Spectrom. 2006. V. 248. P. 142.
- Skalny J.D., Orszagh J., Mason N.J., Rees J.A., Aranda-Gonzalvo Y., Whitmore T.D. // Int. J. Mass Spectrom. 2008. V. 272. P. 12.
- Allers M., Kirk A.T., Timke B., Erdogdu D., Wissdorf W., Benter T., Zimmermann S. // J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2020. V. 31. P. 1861.
- Heikes B.G., Treadaway V., McNeill A.S., Silwal I.K.C., O’Sullivan D.W. // Atmos. Meas. Tech. 2018. V. 11. P. 1851.
- Zhang X., Guo Y., Mirpour S., Li Y., Sun A., Nijdam S. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2021. V. 54. P. 485202.
- Попов Н.А. // Физика плазмы. 2010. Т. 36. С. 867.
- Huertas M.L., Fontan J., Gonzales J. // Atmosph. Environment. 1978. V. 12. P. 2351.
- Филиппов А.В., Дербенев И.Н., Дятко Н.А., Куркин С.А., Лопанцева Г.Б., Паль А.Ф., Старостин А.Н. // ЖЭТФ. 2017. Т. 152. С. 293.
- Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Наука, 1992.
- Goldman M., Goldman A., Sigmond R.S. // Pure Appl. Chem. 1985. V. 57. P. 1353.
- Zhang J., Adamiak K. // J. Electrostat. 2007. V. 65. P. 459.
- Yanallah K., Pontiga F. // Plasma Sources Sci. Technol. 2012. V. 21. P. 045007.
- Александров Н.Л. // УФН. 1988. Т. 154. С. 177.
- Sieck L.W., Herron J.T., Green D.S. // Plasma Chem. Plasma Proc. 2000. V. 20. P. 235.
- Смирнов Б.М. Комплексные ионы. М.: Наука, 1983.
- Troe J. // Chem Rev. 2003, V. 103. P. 4565.
- Wannier G.H. // Bell Syst. Tech. J. 1953. V. 32. P. 170.
- Kossyi I.A., Kostinsky A.Y., Matveyev A.A., Sila-kov V.P. // Plasma Sources Sci. Technol. 1992. V. 1. P. 207.
- Arshadi M., Kebarle P. // J. Phys. Chem. 1970. V. 74. P. 1483.
- Keesee R.G., Castlemann A.W., Jr. // J. Phys. Chem. Ref. Data. 1986. V. 15. P. 1011.
- Bork N., Kurten T., Enghoff M.B., Pedersen J.O.P., Mikkelsen K.V., Svensmark H. // Atmos. Chem. Phys. 2011. V. 11. P. 7133.
- Payzant J.D., Kebarle P. // J. Chem. Phys. 1972. V. 56. P. 3482.
- Fehsenfeld F.C., Ferguson E.E. // J. Chem. Phys. 1974. V. 61. P. 3181.
- Huertas M.L., Fontan J., Gonzalez J. // Atm. Environment. 1979. V. 12. P. 2351.
- Синькевич А.А., Довгалюк Ю.А. // Изв. вузов. Радиофизика. 2013. Т. LVI. С. 908.
- Thermopedia. Atmosphere (Physical Properties of). 2021. Available online: https://www.thermopedia.com/content/570/ (accessed on 5 July 2023).
- Зуев В.Е., Комаров В.С., Ломакина Н.Я., Михайлов С.А. // Докл. АН СССР. 1985. Т. 280. № 5. С. 1086.
- Okabe H. Photochemistry of Small Molecules. Hoboken, NJ, USA: John Wihely & Sons Inc., 1978.
- Andrews D.G. An Introduction to Atmospheric Physics. New York, NY, USA: Cambridge Univ. Press, 2010.
- Melo S.M.L., Farahani E., Strong K., Bassford M.R., Preston K.E., McLinden C.A. // Adv. Space Res. 2004. V. 34. P. 786.
- Tsai T.R., Rose R.A., Weidmann D., Wysocki G. // Appl. Opt. 2012. V. 51. P. 8779.
- Ponomarev A.A., Aleksandrov N.L. // Plasma Sources Sci. Technol. 2015. V. 24. P. 035001.
- Gallimberti I. // J. Phys. (Paris). 1979. V. 40. P. C7.
- Syssoev A., Iudin D., Iudin F., Klimashov V., Emelyanov A. // Atmosphere. 2021. V. 12. P. 1046.
- Радциг А.А., Смирнов Б.М. Справочник по атомной и молекулярной физике. М.: Атомиздат, 1980.
- Арцимович Л.А. Элементарная физика плазмы. М.: Атомиздат, 1969.
- Bazelyan E.M., Aleksandrov N.L., Raizer Yu.P., Konchakov A.M. // Atm. Res. 2007. V. 86. P. 126.
- Naidis G.V. // J. Phys. D: Appl. Phys. 1992. V. 25. P. 477.
- Naidis G.V. // J. Phys. D: Appl. Phys. 1997. V. 30. P. 1214.
- Bazelyan E.M., Raizer Yu.P., Aleksandrov N.L. // Plasma Sources Sci. Technol. 2008. V. 17. P. 024015.
- Young C.E., Falconer W.E. // J. Chem. Phys. 1972. V. 57. P. 918.
- Пономарев А.А., Александров Н.Л. // Физика плазмы. 2022. Т. 48. С. 152.
- Aleksandrov N.L., Bazelyan E.M., Ponomarev A.A., Starikovskiy A.Yu. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2022. V. 55. P. 383002.
- Capitelli M., Ferreira C.M., Gordiets B.F., Osipov A.I. Plasma kinetics in atmospheric gases. Springer, 2000.
- Ponomarev A.A., AleksandrovN.L. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2020 V. 53 № 5. P. 055203.
- Payzant J.D., Cunningham A.J., Kebarle P. // Can. J. Chem. 1972. V. 50. P. 2230.