1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Физика плазмы
  4. T. 49, № 11, 2023

Физика плазмы, 2023, T. 49, № 11, стр. 1186-1204

Динамика изменения состава отрицательных ионов вокруг гидрометеоров в грозовом облаке

Н. Л. Александров a, b, А. А. Пономарев b, c, А. А. Сысоев b, d, Д. И. Иудин b, d

a Московский физико-технический институт
Долгопрудный, Россия

b Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН
Н. Новгород, Россия

c Высшая школа экономики
Москва, Россия

d Приволжский исследовательский медицинский университет
Н. Новгород, Россия

Поступила в редакцию 01.08.2023
После доработки 04.09.2023
Принята к публикации 10.09.2023

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 ${\text{О}}_{2}^{ - }{{({{{\text{Н}}}_{2}}{\text{О}})}_{k}}$ и ${\text{О}}_{4}^{ - }$. 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 ${\text{О}}_{2}^{ - }{{({{{\text{Н}}}_{2}}{\text{О}})}_{k}}$ требуются достаточно умеренные допробойные приведенные электрические поля на уровне 65 Тд.

Ключевые слова: зарождение молниевого разряда, бесстримерный коронный разряд, гидратированные отрицательные ионы, столкновительный отрыв электронов, ионно-молекулярные реакции

Список литературы

  1. Rakov V.A., Uman M.A. Lightning: physics and effects. Cambridge: Cambridge University Press, 2003.

  2. Базелян Э.М., Райзер Ю.П. Физика молнии и молниезащиты. М.: Физматлит, 2001.

  3. Dwyer J.R., Uman M.A. // Phys. Rep. 2014. V. 534. P. 147.

  4. Crabb J.A., Latham J. // Q. J. R. Meteorol. Soc. 1974. V. 100. P. 191.

  5. Griffiths R.F., Phelps C.T. // J. Geophys. Res. 1976, V. 81. P. 3671.

  6. Gurevich A.V., Milikh G.M., Roussel-Dupre R. // Phys. Lett. A. 1992. V. 165. P. 463.

  7. Gurevich A.V., Zybin K.P., Roussel-Dupre R.A. // Phys. Lett. A. 1999. V. 254. P. 79.

  8. Гуревич А.В., Зыбин К.П. // УФН. 2001. Т. 171. С. 1177.

  9. Dwyer J.R. // Geophys. Res. Lett. 2005. V. 32. P. L20808.

  10. Иудин Д.И. // Изв. вузов. Радиофиз. 2017. Т. 60. С. 418.

  11. Iudin D.I., Rakov V.A., Syssoev A.A., Bulatov A.A., Hayakawa M. // NPJ Clim. Atmos. Sci. 2019. V. 2. P. 46.

  12. Iudin D.I., Rakov V.A., Syssoev A.A., Bulatov A.A., Hayakawa M. // Sci. Rep. 2021. V. 11. P. 18016.

  13. Иудин Д.И., Сысоев А.А., Раков В.А. // Изв. вузов. Радиофизика. 2021. Т. 64. С. 867.

  14. Иудин Д.И., Сысоев А.А., Раков В.А. // Электричество. 2022. № 11. С. 13.

  15. Иудин Д.И., Сысоев А.А., Раков В.А. // Электричество. 2022. № 12. С. 13.

  16. Иудин Д.И., Сысоев А.А., Раков В.А. // Электричество. 2023. № 1. С. 16.

  17. Huertas M.L., Fontan J. // Atmosph. Environment. 1982. V. 16. P. 2527.

  18. Ross S.K., Bell A.J. // Int. J. Mass Spectrom. 2002. V. 218. P. L1.

  19. Skalny J.D., Mikoviny T., Matejcik S., Mason N.J. // Int. J. Mass Spectrom. 2004. V. 233. P. 317.

  20. Nagato K., Kim C.S., Adachi M., Okuyama K. // Aerosol Sci. 2005. V. 36. P. 1036.

  21. Nagato K., Matsui Y., Miyata T., Yamauchi T. // Int. J. Mass Spectrom. 2006. V. 248. P. 142.

  22. 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.

  23. 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.

  24. Heikes B.G., Treadaway V., McNeill A.S., Silwal I.K.C., O’Sullivan D.W. // Atmos. Meas. Tech. 2018. V. 11. P. 1851.

  25. Zhang X., Guo Y., Mirpour S., Li Y., Sun A., Nijdam S. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2021. V. 54. P. 485202.

  26. Попов Н.А. // Физика плазмы. 2010. Т. 36. С. 867.

  27. Huertas M.L., Fontan J., Gonzales J. // Atmosph. Environment. 1978. V. 12. P. 2351.

  28. 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.

  29. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Наука, 1992.

  30. Goldman M., Goldman A., Sigmond R.S. // Pure Appl. Chem. 1985. V. 57. P. 1353.

  31. Zhang J., Adamiak K. // J. Electrostat. 2007. V. 65. P. 459.

  32. Yanallah K., Pontiga F. // Plasma Sources Sci. Technol. 2012. V. 21. P. 045007.

  33. Александров Н.Л. // УФН. 1988. Т. 154. С. 177.

  34. Sieck L.W., Herron J.T., Green D.S. // Plasma Chem. Plasma Proc. 2000. V. 20. P. 235.

  35. Смирнов Б.М. Комплексные ионы. М.: Наука, 1983.

  36. Troe J. // Chem Rev. 2003, V. 103. P. 4565.

  37. Wannier G.H. // Bell Syst. Tech. J. 1953. V. 32. P. 170.

  38. Kossyi I.A., Kostinsky A.Y., Matveyev A.A., Sila-kov V.P. // Plasma Sources Sci. Technol. 1992. V. 1. P. 207.

  39. Arshadi M., Kebarle P. // J. Phys. Chem. 1970. V. 74. P. 1483.

  40. Keesee R.G., Castlemann A.W., Jr. // J. Phys. Chem. Ref. Data. 1986. V. 15. P. 1011.

  41. Bork N., Kurten T., Enghoff M.B., Pedersen J.O.P., Mikkelsen K.V., Svensmark H. // Atmos. Chem. Phys. 2011. V. 11. P. 7133.

  42. Payzant J.D., Kebarle P. // J. Chem. Phys. 1972. V. 56. P. 3482.

  43. Fehsenfeld F.C., Ferguson E.E. // J. Chem. Phys. 1974. V. 61. P. 3181.

  44. Huertas M.L., Fontan J., Gonzalez J. // Atm. Environment. 1979. V. 12. P. 2351.

  45. Синькевич А.А., Довгалюк Ю.А. // Изв. вузов. Радиофизика. 2013. Т. LVI. С. 908.

  46. Thermopedia. Atmosphere (Physical Properties of). 2021. Available online: https://www.thermopedia.com/content/570/ (accessed on 5 July 2023).

  47. Зуев В.Е., Комаров В.С., Ломакина Н.Я., Михайлов С.А. // Докл. АН СССР. 1985. Т. 280. № 5. С. 1086.

  48. Okabe H. Photochemistry of Small Molecules. Hoboken, NJ, USA: John Wihely & Sons Inc., 1978.

  49. Andrews D.G. An Introduction to Atmospheric Physics. New York, NY, USA: Cambridge Univ. Press, 2010.

  50. 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.

  51. Tsai T.R., Rose R.A., Weidmann D., Wysocki G. // Appl. Opt. 2012. V. 51. P. 8779.

  52. Ponomarev A.A., Aleksandrov N.L. // Plasma Sources Sci. Technol. 2015. V. 24. P. 035001.

  53. Gallimberti I. // J. Phys. (Paris). 1979. V. 40. P. C7.

  54. Syssoev A., Iudin D., Iudin F., Klimashov V., Emelyanov A. // Atmosphere. 2021. V. 12. P. 1046.

  55. Радциг А.А., Смирнов Б.М. Справочник по атомной и молекулярной физике. М.: Атомиздат, 1980.

  56. Арцимович Л.А. Элементарная физика плазмы. М.: Атомиздат, 1969.

  57. Bazelyan E.M., Aleksandrov N.L., Raizer Yu.P., Konchakov A.M. // Atm. Res. 2007. V. 86. P. 126.

  58. Naidis G.V. // J. Phys. D: Appl. Phys. 1992. V. 25. P. 477.

  59. Naidis G.V. // J. Phys. D: Appl. Phys. 1997. V. 30. P. 1214.

  60. Bazelyan E.M., Raizer Yu.P., Aleksandrov N.L. // Plasma Sources Sci. Technol. 2008. V. 17. P. 024015.

  61. Young C.E., Falconer W.E. // J. Chem. Phys. 1972. V. 57. P. 918.

  62. Пономарев А.А., Александров Н.Л. // Физика плазмы. 2022. Т. 48. С. 152.

  63. Aleksandrov N.L., Bazelyan E.M., Ponomarev A.A., Starikovskiy A.Yu. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2022. V. 55. P. 383002.

  64. Capitelli M., Ferreira C.M., Gordiets B.F., Osipov A.I. Plasma kinetics in atmospheric gases. Springer, 2000.

  65. Ponomarev A.A., AleksandrovN.L. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2020 V. 53 № 5. P. 055203.

  66. Payzant J.D., Cunningham A.J., Kebarle P. // Can. J. Chem. 1972. V. 50. P. 2230.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Физика плазмы

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал