Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Несмотря на многочисленные достижения современной науки, до сих пор не найден ответ на вопрос о том, каким образом происходит процесс зарождения молнии в грозовом облаке, максимальная напряженность электрического поля в котором примерно на порядок меньше диэлектрической прочности воздуха. Не удивительно, что по мнению авторов обзора [1] вопрос о физическом механизме инициации молниевого разряда возглавляет список десяти наиболее важных вопросов физики атмосферного электричества. За прошедший год в рамках реализации Проекта научному коллективу под руководством В. А. Ракова удалось значительно продвинуться в решении данной проблемы (см. также посвященный Проекту сайт https://www.rscf191700183.ru). Описанный в работах [2-3] эффект роста концентрации ионной компоненты в грозовом облаке по мнению авторов представляет собой начальную стадию сценария инициации молнии и связан с переходом разрядной активности с мелкомасштабного уровня на мезомасштабный (от Таунсендовских лавин к стримерам). Одним из результатов работы [2] является нахождение величины критического поля пробоя грозового облака в зависимости от высоты над уровнем моря (плотности газа) с учетом процессов отлипания электронов от отрицательных ионов. Было показано, что фактическое значение пробойного поля облака, при котором начинается экспоненциальный рост концентрации носителей электрического заряда, на 10-15% меньше, чем общепринятое значение диэлектрической прочности воздуха (см. Рис. 1 работы [2]). В исследованиях [2-3] было показано, что рост ионной компоненты в облаке возможен, если пространственно-временная частота столкновений (сближений) гидрометеоров, приводящих к возникновению коронного разряда, достигает критического уровня, равного 0.1 м^(-3)с^(-1). Важно отметить, что экспериментально установленные пространственно-временные частоты столкновений гидрометеоров в облаке в зависимости от конкретных условий составляют десятки - сотни и даже тысячи актов в кубическом метре в секунду. Таким образом, для работоспособности предложенного в работах [2-3] механизма достаточно, чтобы хотя бы каждое сотое – тысячное соударение гидрометеоров приводило к возникновению коронного разряда. При выполнении этого условия становится возможным появление новых ионных центров на фоне расплывающихся ионных пятен, оставшихся от предыдущих зон эффективного размножения ионов, что делает каждый новый акт размножения ионов все более эффективным. При этом в облачной среде формируется цепь положительной обратной связи, которую замыкают стохастический дрейф, работающий как аналог турбулентной диффузии и способствующий увеличению размеров ионных пятен до масштабов порядка нескольких дециметров, и отлипание, обеспечивающее рост производства затравочных электронов с увеличением амплитуды локального поля. Еще одним последствием дрейфа положительных и отрицательных ионов в электрическом поле является их пространственное разделение, способствующее уменьшению рекомбинационных потерь. В конце концов динамика ионов приводит к появлению пятен ионной концентрации с размерами до нескольких дециметров и проводимостью, достигающей уровня порядка 10^(-8) См/м, и, как следствие, к усилению среднеквадратичных флуктуаций электрического поля в грозовом облаке до уровня, необходимого для инициации положительных стримеров, являющихся необходимым элементом формирования канала лидера молнии. Важно отметить, что предложенный в работах [2-3] сценарий, приводящий к появлению положительных стримеров в грозовом облаке, не требует наличия каких-либо экстремальных условий, таких как сверхэнергичные космические частицы с энергиями больше 10^(16) эВ [4], нереалистично большая разность потенциалов в облаке (около 450 МВ [5]) или очень крупные (6 см и более) гидрометеоры [6]. Данное обстоятельство выгодно отличает исследуемый в работах [2-3] механизм от альтернативных гипотез. Кроме того, большинство работ, посвященных изучению проблемы инициации молнии в облаке, ограничивается вопросом инициации единственного положительного стримера, не интересуясь его дальнейшим выживанием. Вместе с тем, описанный в работах [2-3] механизм обеспечивает наличие в облаке областей повышенной концентрации положительных и отрицательных ионов, что обеспечивает сразу два важных эффекта, способствующих поддержанию роста стримеров. Во-первых, в условиях сильного поля вблизи стримерной головки распадающиеся вследствие эффекта отлипания отрицательные ионы становятся источником необходимых для развития стримеров дополнительных затравочных электронов. Во-вторых, неоднородно распределенные в пространстве положительные и отрицательные ионные пятна создают области сильного электрического поля, способного поддержать распространения стримеров на расстояния, сравнимые с размерами ионных пятен (дециметры - метры). Заключительный этап предложенного работах [2-3] сценария инициации молнии связан с переходом разрядной активности от стримеров на мезомасштабном уровне к крупномасштабному лидерному процессу. Один из возможных сценариев формирования двунаправленного биполярного лидерного канала в результате объединения токов сотен тысяч одновременно развивающихся стримерных каналов промоделирован в работе [7]. Среди прогрессивных особенностей представленной в работе [7] мелкомасштабной транспортной модели развития искрового разряда можно выделить отсутствие пространственной решётки, учёт асимметрии развития положительных и отрицательных стримеров и рассмотрение временной эволюции параметров разрядных каналов. Используемый в работе [7] критерий стримерно-лидерного перехода сформулирован в терминах температуры канала и опирается на хорошо известный универсальный механизм ионизационно-перегревной неустойчивости. Описанная в работе [7] модель корректно воспроизводит ряд коллективных эффектов, явным образом не заложенных в исходный алгоритм. Среди них можно выделить процесс образования чехла лидерного канала, являющегося критически важным на наиболее интенсивной стадии возвратного удара, когда накопленный в чехле заряд стекает в землю, и результирующую скорость распространения положительной и отрицательной частей модельного билидера, которая хорошо согласуется с данными натурных наблюдений. В работе [7] было показано, что прогретый хорошо проводящий канал лидера молнии в воздухе формируется за счёт объединения токов десятков тысяч холодных слабо проводящих стримерных каналов и имеет электрические характеристики, которые можно охарактеризовать как промежуточные между лабораторным и развитым молниевым разрядами. Морфология, скорость распространения и электрические параметры (ток и погонный заряд чехла лидерного канала) разрядного древа зарождающегося модельного лидера молнии хорошо согласуются с современными данными о развитии молниевого разряда. Лежащий в основе модели [7] программный код, опубликован на ресурсе [8]. Видео, построенное на базе модели [7], доступно по ссылке [9]. В работе [10] на основе анализа большого массива экспериментальных данных была исследована роль компактных внутриоблачных разрядов (КВР) в процессе инициации молнии. В настоящее время среди ученых, занимающихся исследованием атмосферного электричества, нет единого мнения о том, насколько тесно активность КВР коррелирует с возникновением молниевых разрядов. Из-за недостаточной изученности КВР не ясно также, являются ли они редкими изолированными явлениями или относительно частыми и способствующими проявлению других видов разрядной активности. Для ответа на эти вопросы в работе [10] были проанализированы данные о 1104 КВР, зарегистрированных в радиусе 500 км вокруг молниевой обсерватории, находящейся в городе Гейнсвилле штата Флорида (Lightning Observatory in Gainesville, LOG), в 2016 году. Для установления факта пространственно-временной (и, как следствие, причинно-следственной) связи между КВР и другими молниевыми разрядами использовались два различных значения радиуса анализируемой зоны вокруг КВР (5 и 10 км) и четыре значения временных окон с центром в моменте времени, соответствующем регистрации КВР (±1000, ±500, ±100 и ±10 мс). Было установлено, что процент изолированных КВР уменьшается от 92% для зоны поиска 5 км и ±10 мс до 31% для зоны поиска 10 км и ±1000 мс. При этом процент КВР, предшествующих (инициирующих) молниевый разряд, возрастает от 6.8% до 43%. Было обнаружено, что около 2% (5%) изолированных КВР можно рассматривать как предшествующие другим молниевым разрядам, так как они, по-видимому, инициировали молнии, практически в том же месте (в радиусе 500 м) для рассматриваемого интервала времени после КВР, равного 5 с (10 с). Авторы работы [10] делают вывод о том, что КВР являются преимущественно одиночными относительно редкими явлениями. Данная точка зрения противоречит активно обсуждаемой гипотезе о том, что многие или даже все молниевые разряды инициируются КВР или подобными им процессами, и тем самым косвенно повышает значимость альтернативных гипотез, изучению одной и которых посвящен настоящий Проект. Литература 1. Dwyer, J. R. &Uman, M. A. The physics of lightning. Phys. Rep. 534, 147–241 (2014). 2. Iudin, D.I., Rakov, V.A., Syssoev, A.A. et al. Formation of decimeter-scale, long-lived elevated ionic conductivity regions in thunderclouds. npj Clim Atmos Sci 2, 46 (2019) doi:10.1038/s41612-019-0102-8. 3. Д. И. Иудин, В. А. Раков, А. А. Сысоев, А. А. Булатов. Динамика ионов в грозовом облаке // Известия вузов. Радиофизика. 2019, в печати. 4. Gurevich, A. V., Milikh, G. M. & Roussel-Dupre, R. Runaway electron mechanism of air breakdown and preconditioning during a thunderstorm. Phys. Lett. A 165, 463–468 (1992). 5. Dwyer, J. R. The initiation of lightning by runaway air breakdown. Geophys. Res. Lett. 32, L20808 (2005). 6. Dubinova, A. et al. Prediction of lightning inception by large ice particles and extensive air showers. Phys. Rev. Lett. 115, 015002 (2015). 7. А. А. Булатов, Д. И. Иудин, А. А. Сысоев. Самоорганизующаяся транспортная модель искрового разряда в грозовом облаке // Известия вузов. Радиофизика. 2019, в печати. 8. А. А. Булатов. Репозиторий исходного кода транспортной модели, https://github.com/DAlexis/self-organizing-transport-model. 9. А. A. Bulatov, D. I. Iudin, and A. A. Syssoev. Self-organized transport modelof spark discharge development and its application to the process of lightninginitiation in a thundercloud, December 2019. 10. A. F. R. Leal and V. A. Rakov. A study of the context in which compact intracloud discharges occur // Scientific Reports (2019) 9:12218, https://doi.org/10.1038/s41598-019-48680-6.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В 2020 отчетном году был получен ряд научные результатов, основные из которых перечислены ниже. Проведен численный анализ развивающегося в грозовом облаке эффекта эстафетной проводимости и его влияния на пространственное распределение электрического поля в облаке. Анализируемая система представляет собой набор идеально проводящих каналов, соединяющих соседние узлы пространственной решетки. Перенос заряда вдоль направления внешнего поля происходит за счет того, что на каждом шаге модельного времени определенная доля проводящих связей исчезает в одном месте пространства и одновременно возникает в другом. Получены зависимости величины эстафетной проводимости от концентрации проводящих связей и скорости их обновления и показано, что они имеют степенной характер. Рассмотрено несколько постановок задачи, включающих различные наборы доступных связей в рамках простой кубической решетки и два варианта выбора ориентации появляющейся связи (зависящий и не зависящий от локальной напряженности электрического поля). Динамика развития описываемой системы воспроизводит процессы, происходящие на долидерной стадии развития грозового облака, на которой в нем формируется сложная мезомасштабная картина распределения пространственного заряда и создаваемого им электрического поля. При этом области, в которых наблюдается усиление поля, становятся очагами разрядной активности. Была описана вторая стадии сценария инициации молнии в грозовом облаке, первая часть которого была сформулирована и опубликована в первом году реализации Проекта. Был подробно описан переход от заполняющих активную часть грозового облака стримерных разрядов к самоподдерживающемуся лидерному каналу. Показано, что если каждая область повышенной ионной проводимости за время своей жизни генерирует хотя бы один положительный стример, то внутри грозового облака возникает трехмерная стримерная сеть, некоторые элементы которой содержат горячие сегменты, возникающие за счет кумулятивного эффекта джоулева нагрева и (или) развития ионизационно-перегревной неустойчивости. Данные хорошо проводящие сегменты поляризуются, взаимодействуют друг с другом и, в конце концов, кластеризуются, формируя вытянутые вдоль направления внешнего поля плазменные структуры. Показано, что если разность потенциалов, перекрываемая данной проводящей структурой, превышает 3 МВ, то в облаке формируется способный к самостоятельному распространению зародыш молнии. Было показано, что эффект размножения с депонированием сопровождается значительным понижением порога выживания взаимодействующих компонент. При этом отношение квазиравновесного уровня концентрации компоненты «вкладчика» к уровню концентрации компоненты «депозитария» оказывается малым управляющим параметром задачи. В терминах грозового электричества это означает возможность совместного выживания электронной («вкладчик») и ионной («депозитарий») компонент при реалистичном уровне мультипликативного квазиэлектростатического шума в грозовом облаке, а роль малого параметра играет отношение частоты отлипания электронов от отрицательных ионов к частоте их прилипания к нейтральным молекулам кислорода воздуха. Были описаны результаты наблюдения излучения грозы, произошедшей 22 июня 2016 г. в г. Нижний Новгород, полученные с применением установки, способной детектировать сигналы в диапазоне частот от 50 кГц до 30 МГц. Впервые представлены результаты квазинепрерывного наблюдения радиоизлучения, детектируемого в течение всего времени развития грозового облака, в широком диапазоне частот с субмикросекундным временным разрешением. Показано, что радиоизлучение облака всегда начинается без какой-либо предварительной стадии. Оно наблюдается на характерных временных интервалах порядка долей секунды, разделенных паузами с примерно той же длительностью, в течение которых излучение отсутствует. Излучение облака представляет собой последовательность коротких биполярных импульсов. Оно наблюдается в том числе и во время пауз между молниевыми разрядами. При этом начальная стадия излучения на этапе, предшествующем появлению молнии, не отличается от начальной стадии излучения, не оканчивающегося формированием молнии (возвратным ударом). Проведено сравнение полученных в рамках Проекта данных регистрации излучения грозы, происходившей 15 мая 2019 г. в Нижегородской области, и результатов численного моделирования формирования лидера молнии в грозовом облаке. Построенная модель описывает формирование молнии в результате возникновения, роста и слияния биполярных разрядных систем. Результаты моделирования были использованы для расчета производимого моделируемой системой токов электромагнитного излучения. Показано, что результаты моделирования находятся в хорошем согласии с экспериментом, причем наиболее интенсивные биполярные импульсы электрического поля с амплитудой порядка 0.1 В/м и длительностью порядка 0.2 мкс генерируются импульсами тока выравнивания потенциалов с амплитудой порядка нескольких сотен ампер, возникающих при слиянии стримерных/лидерных систем. Данные результаты позволяют интерпретировать наблюдаемое излучение грозового облака как следствие естественной динамики развития внутриоблачных разрядов. Представлен теоретический анализ особенностей роста положительной и отрицательной частей молниевого разряда, проистекающих из асимметрии развития положительных и отрицательных стримеров. Предложено объяснение ряда нерешенных фундаментальных вопросов физики молнии. Так, например, хорошо известны, но не объяснены факты того, что (1) отрицательные разряды на землю чаще всего состоят из серии ударов, проходящих по одному каналу, а положительные вспышки, как правило, ограничиваются одним ударом, (2) отрицательные и положительные лидеры молниевых разрядов имеют существенные морфологические различия, (3) рост положительных лидеров сопровождается возникновением отрицательных обратных (recoil) лидеров, а положительных обратных лидеров никто не наблюдал. Другим примером проявления асимметрии транспорта в потенциальном поле являются речные сети. Верхняя часть речной системы, контролируемая эрозионными процессами, и нижняя ее часть, регулируемая седиментацией, существенно асимметричны: благодаря особенностям доминирующих процессов, дренажная плотность – число каналов на единицу площади – превалирует в низовьях реки. Ключевой вывод исследования состоит в том, что аналогичную дренажной плотности роль в случае молнии играет пространственная плотность распределения плазменных каналов разряда. Применение, по аналогии с речными системами, иерархической схемы Хортона – Штролера позволяет оценить структурную асимметрию пространственного распределения ёмкости разноимённых частей дерева разряда и связать скорость смещения точки нулевого индуцированного заряда или точки реверса с разностью периферийных токов. Обнаруженное смещение точки реверса определяет главное направление развития молнии, запускает механизмы конкурентного подавления боковых ветвей положительного лидера и обновления ветвей отрицательного и служит ключом к пониманию макромасштабных проявлений асимметрии молнии. В рамках данного подхода удается ответить на вопросы о том, чем обусловлены морфологические различия положительного и отрицательного лидеров молнии, почему развитие положительного лидера сопровождается формированием обратных лидеров и иглоподобных разрядов и с чем связаны особенности развития главной стадии положительных и отрицательных разрядов типа облака-земля. Был впервые детально воспроизведён полный цикл формирования ступени отрицательного лидера молнии с учётом возникновения на границе его стримерной короны пространственных стемов и трансформации части из них в пространственные лидеры. Отличительными особенностями построенной модели является высокое пространственно-временное разрешение, учет асимметрии развития положительных и отрицательных стримеров и эволюции параметров разрядных каналов, а также возможность одновременного роста и отмирания каналов в различных частях разрядного древа. Для верификации модели были использованы данные высокоскоростной съемки ступенчатых и стреловидно-ступенчатых молниевых лидеров. Показано, что морфология модельных лидеров, качественно согласующаяся с результатами высокоскоростной съемки, определяется величиной их тока. Воспроизводимые моделью многочисленные параметры отрицательных лидеров находятся в хорошем количественном согласии с приводимыми в литературе данными. Модель воспроизводит чехол заряда лидерного канала, знание структуры которого важно с точки зрения молниезащиты. Анализ результатов моделирования показал, что ступенчатый характер развития отрицательного лидера обусловлен асимметрией пороговых полей распространения положительных и отрицательных стримеров. Из-за вдвое больших пороговых полей роста отрицательному лидеру выгоднее «подождать», пока навстречу к нему прорастет канал положительной части пространственного лидера, чем распространяться самостоятельно. Установлено, что формирование пространственных стемов происходит на периферии стримерной зоны отрицательного лидера, где внешнее поле усиливается полем заряда отрицательной короны. Было показано, что формирование пространственных стемов происходит на периферии стримерной зоны отрицательного лидера, где электрическое поле достигает наибольших значений. Было проведено мелкомасштабное моделирование процесса формирования пространственных стемов в диапазоне высот от 0 до 12 км. Показано, что центры ионизации, предшественники пространственных стемов, формируются в областях с повышенной пространственно-временной частотой попадания в них головок отрицательных стримеров, которые могут рассматриваться как элементы пространственно-временного шума. Модель предсказывает усложнение условий формирования пространственных стемов при увеличении высоты, что косвенно подтверждается результатами полевых наблюдений. Для исследования эффективности механизмов диссипации квазиэлектростатической энергии была разработана 2D модель развития стримерного разряда в воздухе. Модель способна воспроизвести кумулятивный процесс постепенного увеличения температуры канала, по которому многократно проходит стримерный разряд. Была построена модель компактного внутриоблачного разряда (КВР) с высоким пространственно-временным разрешением и учетом термодинамики разрядных каналов. В рамках модели были воспроизведены все характерные стадии развития КВР, включая слияние пары лидеров в единый канал, прогреваемый кратковременным мощным импульсом тока выравнивания потенциалов. Модель позволяет детально изучить параметры данного импульса тока, рассчитать производимое им излучение и сравнить его с данными экспериментальных наблюдений. Список выполненных в рамках Проекта публикаций и дополнительная информация о ходе работ по Проекту доступны на сайте https://rscf191700183.ru.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В 2021 отчетном году был получен ряд научных результатов, основные из которых перечислены ниже. 1. Показано, что если каждое пятно повышенной ионной проводимости за время своей жизни генерирует хотя бы один положительный стример, то внутри грозового облака возникает трехмерная сеть плазменных каналов. Те элементы плазменной сети, которые расположены в местах наибольшей концентрации токов, превращаются в горячие лидерные сегменты. Их прогрев происходит за счет кумулятивного эффекта джоулева нагрева и развития ионизационно-перегревной неустойчивости. Горячие сегменты поляризуются и удлиняются, сливаясь в единый лидерный канал «зародыша» молнии. Необходимым условием формирования самоподдерживающегося лидера молнии, способного выжить после выхода из области сильного поля, является наличие в активной зоне грозового облака разности потенциалов, превышающей 3 МВ. В ином случае, если сеть плазменных каналов все-таки формируется, возникают разряды-предвестники, не выходящие за границы породивших их плазменных сетей. Предположенный механизм опирается на данные лабораторных и полевых исследований. Гипотеза о формировании внутри грозового облака объемной сети плазменных каналов основана на эксперименте с искусственным аэрозольным облаком, в котором были открыты так называемые необычные плазменные образования (unusual plasma formations, UPFs). Поскольку их структура и параметры плазмы оказались промежуточными между стримерной и лидерной фазами, разумно предположить, что UPFs являются промежуточным звеном при переходе от слабо проводящих стримерных систем к горячему самоподдерживающемуся лидерному каналу в процессе инициации молнии в облаке. Величина пороговой разности потенциалов, необходимой для формирования самоподдерживающегося лидера молнии, была установлена в серии экспериментов по инициации триггерных молний, в которых было показано, что наличие разности потенциалов на уровне 3 МВ между заземленной ракетой и окружающим ее воздухом обеспечивало появление устойчивого восходящего лидера молнии. 2. Промоделирован процесс возникновения прогретого хорошо проводящего лидерного канала за счет объединения токов десятков тысяч стримеров, каждый из которых изначально обладает пренебрежимо малой проводимостью и температурой. Модельный разряд развивается без привязки к пространственной решетке. Используемый в модели критерий стримерно-лидерного перехода сформулирован в терминах температуры канала и опирается на хорошо известный универсальный механизм ионизационно-перегревной неустойчивости. В основе процесса формирования двунаправленного лидера молнии лежит эффект самоорганизации разрядных структур. Ее движущей силой является электростатическое притяжение, возникающее между близко расположенными поляризованными во внешнем поле каналами. Морфология, скорость распространения и электрические параметры (ток и погонный заряд чехла лидерного канала) зарождающегося модельного лидера молнии хорошо согласуются с современными представлениями о начальном этапе развития молниевого разряда. 3. Экспериментально зафиксированы и проанализированы два различных сценария развития разрядной активности внутри грозового облака. Записи радиоизлучения грозового облака были получены с помощью широкополосного радиоинтерферометра 15 и 22 мая 2019 года в Нижегородской области. Одно из событий оканчивается отрицательным ступенчатым лидером и последующим возвратным ударом, в то время как второе остается на стадии предвестника, что подтверждается сравнением временной динамики (1) интенсивностей и коэффициентов эксцесса сигналов, (2) частоты появления и (3) распределения амплитуд импульсов двух осциллограмм. Результаты работы косвенно подтверждают одно из положений предложенного авторами Проекта сценария инициации молнии, согласно которому стримерная активность либо завершается формированием лидерного канала, если разность потенциалов между границами активной части грозового облака превышает 3 МВ, либо угасает до формирования самоподдерживающегося «зародыша» молнии, если данный критерий не выполняется. 4. Представлена фундаментально новая концепция, в рамках которой асимметрия макромасштабных проявлений положительных и отрицательных лидерных процессов объясняется двукратным различием пороговых полей поддержания роста положительных и отрицательных стримеров. Показано, что ключевым процессом, отвечающим за макромасштабную асимметрию полярностей молнии, является перезарядка чехла лидерного канала, которую можно описать в терминах дрейфа точки реверса (точка, в которой происходит смена полярности радиального поля вокруг лидерного канала). Исследованы механизмы развития возвратных (recoil) лидеров, иглоподобных (needle-like structures) и искроподобных (sparks) разрядов. В рамках специально разработанной численной модели показано, что реактивация ветвей билидера является следствием движения точки реверса в условиях ограниченной пропускной способности каналов. Установлено, что причиной появления иглоподобных и искроподобных разрядов является изменение полярности «старых» (достаточно сильно удаленных от головки и растущей из нее стримерной зоны) участков каналов положительного и отрицательного лидеров соответственно. Причина инверсии полярностей заключается в том, что заряд чехла вокруг лидерного канала не меняется (сохраняет потенциал, близкий к потенциалу лидерной головки на момент формирования данного участка чехла), поскольку в нем нет проводящих каналов, а заряд лидера, напротив, постоянно меняется по мере поступления в общий канал билидера новых порций разделяемого стримерными зонами заряда. Показано, что возвратные лидеры возникают в периоды спада активности положительной части разряда относительно отрицательной. Положения работы косвенно подтверждаются анализом собственных экспериментальных данных, полученных с помощью широкополосного радиоинтерферометра в Нижегородской области 3 июля 2020 года. 5. Разработана численная модель развития компактного внутриоблачного разряда (КВР). Прогрессивными свойствами предлагаемой модели являются (1) учет асимметрии характерных полей поддержания роста положительных и отрицательных стримеров, (2) детальное описание эволюции температуры (и связанной с ней проводимости) разрядных каналов, (3) учет особенностей развития разрядных процессов, связанных с высотой над уровнем моря и (4) подстройка временного шага модели к меняющейся скорости распространения стримерного фронта. Эволюция температуры разрядных каналов описывается уравнением температуропроводности, правая часть которого включает в себя плотность мощности джоулева энерговыделения и радиационные потери. Большинство входящих в уравнение эволюции температуры термодинамических величин являются функциями давления (высоты над уровнем моря) и самой температуры. Особое внимание уделяется описанию эволюции проводимостей и радиусов разрядных каналов. Результаты моделирования позволяют сформулировать новый механизм развития КВР, сочетающий в себе элементы некоторых альтернативных подходов и опирающийся на разработанный в ходе выполнения Проекта сценарий инициации молнии. Показано, что развитие КВР начинается с появления отдельных положительных стримеров, которые затем объединяются в единую плазменную сеть, заполняющую активную часть грозового облака. В тех местах сети, через которые протекают наибольшие токи поляризации, возникают лидерные «прожилки», которые затем сливаются в единый канал, «перекрывающий» сеть по всей длине. При этом относительная доля лидерных секций внутри плазменной сети падает с увеличением высоты над уровнем моря. Импульс тока КВР с амплитудой в несколько десятков килоампер возникает благодаря поляризации плазменной сети в относительно сильном крупномасштабном поле. «Тонкая структура» импульса излучения КВР включает в себя многочисленные биполярные всплески, возникающие в моменты слияния отдельных лидерных сегментов сети. В отличие от большинства альтернативных гипотез, в рамках предложенного механизма причиной возникновения стримерной/лидерной сети является не ШАЛ, а естественная динамика облачных ионов, приводящая к заполнению активной части грозового облака множеством электростатически взаимодействующих стримерных разрядов. 6. Уточнен высотный профиль величины критического поля пробоя атмосферного воздуха, при котором начинается экспоненциальный рост числа заряженных частиц, в диапазоне высот от 0 до 40 км. Используемая для расчетов модель включает в себя расширенный список плазмохимических превращений, происходящих между электронами и основными положительными и отрицательными ионами воздуха, и учитывает наличие в атмосфере химически активных малых газовых составляющих (МГС). В общей сложности было рассмотрено 72 реакции, отражающие процессы (1) ударной ионизации, (2) прилипания электронов к нейтралам, (3) отлипания электронов от отрицательных ионов и (4) ион-ионной конверсии. В расчетах были использованы реальные профили высотных распределений МГС, взятые из экспериментальных работ, посвященных изучению химического состава атмосферы. Показано, что критическое поле пробоя атмосферного воздуха, при котором начинается экспоненциальный рост числа электронов и ионов, значительно меньше традиционно принятого порога (110 Тд), при котором сравниваются частоты ударной ионизации и прилипания электронов к молекулам кислорода. Данный эффект усиливается при увеличении высоты над уровнем моря (с 15% до 50% при подъеме от 0 до 40 км). Наибольший вклад в снижение пробойного поля вносят процессы отлипания электронов от отрицательных ионов. При этом наличие в атмосфере МГС практически не влияет на критическое поле пробоя атмосферного воздуха. 7. Проанализирован развивающийся в грозовом облаке эстафетный перенос заряда и его роль в процессе инициации молнии. Перенос заряда вдоль однородного внешнего поля происходит за счет перманентно возникающих и распадающихся проводящих элементов, которые «подхватывают» имеющиеся в облаке пространственные заряды и перераспределяют их за счет собственной поляризации. Изучены две последовательно развивающиеся моды эстафетного переноса заряда. Первая (достримерная) обеспечивается наличием в грозовом облаке областей повышенной ионной проводимости, динамика которых усиливает локальные флуктуации электрического поля до уровня, достаточного для появления положительных стримеров. Вторая, более эффективная, мода связана с кластеризацией биполярных стримерных/лидерных систем. Было показано, что система, состоящая из относительно малого числа периодически исчезающих и возникающих проводящих плазменных образований (областей повышенной ионной проводимости, стримеров или лидеров), способна обеспечить эстафетный транспорт заряда внутри грозового облака в условиях отсутствия проводящего канала, перекрывающего область сильного поля. Величина эстафетной проводимости является резко растущей функцией фактора заполнения (доли объема пространства, занятого проводящими плазменными образованиями). Эффективность эстафетного механизма переноса заряда существенно возрастает, если места появления и пространственная ориентация возникающих проводящих связей зависят от локального электрического поля, поскольку в данном случае в системе возникает эффект самоорганизации. Внутренняя динамика развития системы приводит к возрастанию величины эстафетной проводимости во времени, поскольку усиление поля на полюсах проводящих структур увеличивает пространственно-временную частоту появления новых проводящих элементов. На начальной (гораздо более долгой и более однородной) стадии эволюции грозового облака эстафетный перенос заряда обеспечивается перманентно возникающими и диссипирующими областями повышенной ионной проводимости, подготавливающими условия для появления положительных стримеров. На последующей, стримерной/лидерной, стадии самоорганизующаяся мода эстафетного переноса заряда с возрастающей скоростью воспроизводит себя на все больших пространственных масштабах и завершается формированием лидера молнии. 8. Разработана плазмохимическая модель процесса повторного прохождения стримерного разряда через один и тот же объем газа, верифицированная на базе известных экспериментальных данных. Проведены 1-D расчеты параметров импульсно-периодического наносекундного разряда в воздухе атмосферного давления. Показано, что нагрев газа проходящими по одной и той же области стримерами приводит к повышению удельного энерговклада на оси разряда и оканчивается контракцией канала. Включение в расчетную модель процессов, описывающих излучение 2^+ (SPS) и 1^- (FNS) систем азота, позволяет использовать ее для определения границ применимости приближения, позволяющего вычислять электрические поля в разряде по относительной интенсивности SPS и FNS. Отлажена двумерная модель распространения стримера в воздушном промежутке, используемая для воспроизведения экспериментально наблюдаемого эффекта накопления квазиэлектростатической энергии разряда при его повторном прохождении через область распадающегося плазменного канала, оставленного предыдущими стримерами. Результаты моделирования позволят детально проанализировать роль нагрева газа в экспериментально наблюдаемых явлениях фокусировки разряда при повторном прохождении стримеров через один и тот же объем газа. Список выполненных в рамках Проекта публикаций и дополнительная информация о Проекте доступны на сайте https://rscf191700183.ru.