• A
  • A
  • A
  • АБВ
  • АБВ
  • АБВ
  • А
  • А
  • А
  • А
  • А
Обычная версия сайта

В новой международной лаборатории будут изучать молнию и разряды в вулканических извержениях

В новой международной лаборатории будут изучать молнию и разряды в вулканических извержениях

© iStock

В Высшей школе экономики открылась Международная лаборатория изучения и диагностики опасных геофизических явлений. Чем она будет заниматься, почему это важно для науки и практики, какая роль в ее работе отводится международному сотрудничеству, рассказал заведующий лабораторией, заместитель директора МИЭМ НИУ ВШЭ Александр Костинский.

— Александр Юльевич, начнем с вопроса о названии лаборатории. О каких опасных геофизических явлениях идет речь? Что вы будете изучать?

— Во-первых, мы планируем изучать молнию — сосредоточимся на внутриоблачных разрядах и инициации молнии внутри грозовых облаков. Во-вторых, будем изучать разряды в вулканических извержениях для удаленного мониторинга вулканов. В дальнейшем мы также собираемся исследовать электрические явления во время пылевых и снежных бурь, торнадо, смерчей.

Александр Костинский
© Высшая школа экономики

Молния — одно из самых ярких и наиболее часто встречающихся геофизических явлений, и на многие вопросы, например о ее происхождении, пока нет ответов, с которыми согласилось бы большинство исследователей. Ученые пока точно не установили, с помощью какого механизма молния инициируется в грозовых облаках, какова роль в этом космических лучей, какие процессы во время грозы порождают потоки частиц с чрезвычайно большими энергиями. А вулканические разряды, разряды во время пылевых бурь, торнадо изучены гораздо хуже, чем молния.

Все эти проблемы — фундаментальные, их невозможно решить без тесного взаимодействия ученых, представляющих такие разные области, как физика грозы и молнии, физика газового разряда и длинной искры, физика космических лучей и радиофизика. Идея создания нашей лаборатории заключается в том, чтобы обеспечить взаимодействие коллег из этих областей. Это поможет в решении проблем физики инициации молнии и внутриоблачных разрядов, а также атмосферной физики высоких энергий.

— Чем обусловлена актуальность этих проблем для современной науки? С обывательской точки зрения молния — всего лишь одно из природных явлений, да и наблюдаем мы его нечасто. Зачем нужно его изучать столь подробно?

— На самом деле в планетарных масштабах оно встречается очень часто. Каждую секунду на Земле происходит от 50 до 100 разрядов молний «облако — земля», то есть от 4 до 8 миллионов разрядов в день. На каждый квадратный километр поверхности Земли приходится в среднем 2–5 разрядов молний в год.

Молния — крайне опасное явление. Грозы и молнии вызывают гибель людей и животных, нарушают работу линий электропередачи и связи, создают интенсивные радиопомехи, лесные пожары. Молнии опасны для летательных аппаратов — вертолетов, самолетов, ракет, а также для высотных сооружений. Известно, что молнии и другая внутриоблачная разрядная активность могут быть важнейшим диагностическим методом определения и предсказания грозовой активности, которая предупреждает о приближении ураганов, торнадо, сдвиге ветра, граде.

— Молнию может увидеть любой человек, и, очевидно, это явление вызывает интерес ученых в течение многих лет. Какие исследования в этой области уже проведены?

— Исследования молнии проводятся на протяжении почти трех столетий. Начало было положено Бенджамином Франклином, Тома Далибаром и позднее в России Михаилом Ломоносовым.

Еще 35 лет назад казалось, что молния уже достаточно хорошо изучена и осталось выяснить только некоторые детали. Но в последние десятилетия были сделаны прорывные открытия, которые перевернули представления ученых о физике молнии

Первое такое открытие принадлежит Дэвиду Ле Вайну. В 1980 году он обнаружил короткие биполярные изменения электрического поля — «компактные внутриоблачные разряды». Они резко отличались от привычных проявлений молнии, имели очень короткую продолжительность жизни, а также самое сильное среди известных геофизических явлений излучение в УКВ-радиодиапазоне.

Следующим выдающимся результатом стало открытие в 1989 году Джоном Винклером в средней атмосфере (50–70 км над Землей) гигантских объемных электрических разрядов, позднее названных спрайтами. Они оказались прямым следствием импульсных электрических полей, возникающих после сильных ударов молнии. Позднее были обнаружены еще несколько типов подобных разрядов, и некоторые из них (гигантские джеты) простирались от верхнего края облака к нижней ионосфере.

В 1994 году Джеральд Фишман с соавторами благодаря спутниковым измерениям обнаружили вспышки гамма-излучения, идущие с поверхности Земли. Оказалось, что эти вспышки тесно связаны с грозовой активностью и, возможно, порождаются молниевыми процессами.

Позднее в ходе наземных экспериментов удалось выяснить, что во время грозы могут возникать сильные превышения уровня вторичных энергичных частиц, порождаемых космическими лучами, — так называемые наземные грозовые превышения. Наиболее подробные исследования этого явления были сделаны в Армении на научно-исследовательской станции «Арагац» департамента космических лучей Национальной научной лаборатории имени А.И. Алиханяна.

Этот департамент возглавляет профессор Ашот Чилингарян. Он согласился стать научным руководителем Международной лаборатории изучения и диагностики опасных геофизических явлений НИУ ВШЭ, и в ближайшие годы мы продолжим еще теснее работать вместе.

— Расскажите о вашем армянском коллеге подробнее.

— Ашот Чилингарян известен своим серьезным вкладом в развитие астрофизики высоких энергий, космической погоды и физики атмосферы высоких энергий. Также он является специалистом по машинному обучению и применению методов анализа данных для распознавания образов и анализа генома. До 2018 года он возглавлял Национальную научную лабораторию имени А.И. Алиханяна (ранее — Ереванский физический институт).

Из научных достижений Ашота Чилингаряна стоит отметить измерение состава и энергии космических лучей, доказательство существования наземных грозовых превышений, разработку многомерных методов обработки данных ДНК-микрочипов, основанных на количественной оценке различных типов экспрессии генов в нормальных и пораженных опухолью тканях. Еще в 1980-х годах он разработал методологию машинного обучения для экспериментов по физике высоких энергий и астрофизике. А в январе 2005 года его группа обнаружила протоны самых высоких энергий, ускоренные в окрестностях Солнца.

Профессор Чилингарян является автором более 500 научных публикаций, членом многих международных научных и редакционных советов, членом Американского физического общества. В 2003 году он стал лауреатом первой в истории премии Всемирного саммита по информационному обществу в области электронной науки за проект интерактивной сети визуализации данных.

— Каковы предпосылки создания Международной лаборатории изучения и диагностики опасных геофизических явлений именно на базе МИЭМ? В вашем институте и раньше проводились исследования молнии?

— Да, эта тематика нас интересует не первый год — в МИЭМ сложились сильные традиции микроволновых и радиофизических исследований. В апреле 2019 года на общем собрании РАН наши работы по изучению и моделированию развития молний, выполненные вместе с коллегами из академических институтов, были отмечены как одно из важнейших достижений российских ученых в области атмосферной физики.

В числе сотрудников нашей новой лаборатории, которые займутся радиофизическими исследованиями молнии, — профессор Андрей Елизаров и доцент Игорь Назаров. Проблема инициации молнии в грозовых облаках была предметом моих научных интересов последние пятнадцать лет.

Молния в вулканических извержениях на Камчатке
(а) извержение вулкана Толбачик (Н. Подклетнов, Е. Мархинин, 1981 г.), (b) вулкан Карымский, 2007 г. (фото: В. Юдин), (с) вулкан Эбеко 2019 г. (фото: M. Rietze)

В середине 2010-х годов научной коллаборацией, в которой я принимал активное участие, внутри облака искусственно заряженного аэрозоля были впервые открыты необычные плазменные образования. Они не имели аналогов в предыдущих исследованиях в физике газового разряда высокого давления. Мы считаем, что эти образования могут играть важную роль в последовательной цепочке преобразований, которые проходит плазма молнии.

В 2019–2020 годах вместе с американскими коллегами Томасом Маршаллом и Марибет Стольценбург мы проанализировали самые современные экспериментальные данные исследований радиофизики зарождения молнии и наши данные по физике длинной искры. После этого нам удалось сформулировать гипотезу возникновения молнии — объемный механизм инициации молнии и компактных внутриоблачных разрядов с помощью широких атмосферных ливней космических лучей в турбулентной многофазной заряженной среде.

— Можно ли утверждать, что эта гипотеза меняет сложившиеся представления о возникновении молнии?

— Это довольно радикальное изменение взгляда на инициацию молнии в облаках, и многие ученые пока не могут принять эту точку зрения.

Образно говоря, если представить молнию около Земли гигантской змеей, например анакондой, то ранее считалось, что она вырастает из крохотной змейки (небольшого разряда). Эта змейка, как и реальная змея, долго растет, пока не станет большим и впечатляющим природным явлением.

Мы же привели серьезные экспериментальные аргументы в пользу того, что благодаря космическим лучам в момент инициации молнии появляются десятки или даже сотни тысяч таких мелких плазменных каналов (змеек), которые в 20–100 раз быстрее, чем считалось ранее, образуют сети плазменных каналов — змеиные клубки. Эти клубки очень быстро сливаются в гигантскую молнию, то есть молния почти сразу же после рождения становится большой.

Одной из первоочередных задач Международной лаборатории изучения и диагностики опасных геофизических явлений будет дальнейшая тщательная проверка этой гипотезы как с точки зрения физики молнии и длинной искры, так и с точки зрения широких атмосферных ливней космических лучей.

— Какое оборудование необходимо для проверки гипотезы? Нужно ли для этого выезжать из Москвы?

— Одно из лучших мест в мире, где можно осуществлять эту проверку, — научно-исследовательская станция на горе Арагац. Это один из признанных мировых центров изучения физики космических лучей, где постоянно проводится мониторинг потоков нейтральных и заряженных частиц, электрических и геомагнитных полей, молниевых разрядов и погодных условий. Станция оснащена датчиками для многодетекторного исследования наиболее важных процессов в грозовой атмосфере.

Полагаю, мы сможем выезжать в Армению и в коллаборации с научным руководителем нашей лаборатории и его коллегами проводить все необходимые мероприятия для проверки гипотезы и изучения атмосферной физики высоких энергий.

— Какие еще исследования планируется проводить в лаборатории?

— Одним из основных фокусов наших исследований будут так называемые начальные импульсы пробоя — мощные внутриоблачные разряды, возникающие буквально через первые сотни микросекунд после инициации молнии. Их изучение поможет улучшить предсказания различных опасных последствий грозовых явлений.

Другой фокус исследований — радиофизика внутриоблачных разрядов. Необходимо изучать их местоположение и иногда восстанавливать их траектории внутри облаков. Здесь российские ученые отстают от своих зарубежных коллег — прежде всего из-за нехватки современного оборудования для картирования (построения временных карт развития) молний, но, надеюсь, в рамках нашей лаборатории это отставание удастся сократить.

В перспективе мы также планируем изучать разряды и молнии, которые порождают вулканические извержения. У нас сложились тесные контакты с вулканологами, работающими на Камчатке, с геологами из Иркутска, а также с вулканологами из Университета Людвига-Максимилиана в Мюнхене, которые изучают действующие европейские вулканы, и вместе с ними мы сейчас готовим заявки на международные гранты.

— Одна из сильных сторон МИЭМ — работа с большими массивами данных. Пригодятся ли соответствующие компетенции коллег в работе лаборатории?

— Да, большинство экспериментов, которые мы планируем, основаны на получении и сложной цифровой обработке больших массивов данных.

В настоящее время работа с массивами данных, полученных с наносекундным разрешением от антенн (таких разрешений во времени требует картирование молний), предполагает хранение и обработку данных гигабайтных размеров после каждой молниевой вспышки. Стоимость программного обеспечения многих научных антенных комплексов превышает стоимость радиофизического оборудования. Обработка полученной информации также потребует больших компьютерных мощностей, которые доступны в МИЭМ.

— Как планируется вовлекать в работу лаборатории студентов и аспирантов Вышки?

— Мы планируем вовлекать студентов в проектную деятельность, аспирантов — в научно-инженерную. Относительно самодостаточные проекты, в которых смогут участвовать студенты под руководством сотрудников лаборатории, могут быть посвящены, например, созданию и наладке экспериментальных приборов, написанию и адаптированию программного обеспечения для проведения экспериментов, численных и аналитических расчетов.

Работа в нашей лаборатории может стать не только вызовом, но и увлекательным приключением для студентов и аспирантов. Ведь они примут участие в полевых экспериментах в экзотических местах планеты, изучая электрическую активность таких впечатляющих природных явлений, как грозы, молнии, извержения вулканов, смерчи и торнадо. Четыре аспиранта МИЭМ уже выразили желание работать у нас. Мы хотим выделить каждому аспиранту, каждому молодому ученому отдельное направление исследований, которое будет ему по душе.

В ближайшее время мы приступим к оснащению помещений для подготовки и проведения модельных лабораторных экспериментов, к отладке оборудования. Руководство МИЭМ и университета в целом всегда оказывало нам ощутимую поддержку в научных исследованиях, и мы надеемся, что организационный период становления лаборатории пройдет максимально быстро.

Вам также может быть интересно:

Алексей Вагов: «Метаматериалы должны служить людям»

Одна из новых международных лабораторий, которая начнет работать в Высшей школе экономики в 2022 году, — Центр квантовых метаматериалов, создаваемый на базе МИЭМ. Об основных направлениях его исследований, о коллективе и перспективах научного сотрудничества рассказал заведующий центром Алексей Вагов.

В нижегородском кампусе НИУ ВШЭ продолжат изучение динамических систем под руководством ведущего ученого

Принято решение о продлении на 2022–2023 годы мегагранта, который был выделен российским правительством Международной лаборатории динамических систем и приложений нижегородского кампуса НИУ ВШЭ. Ее научным руководителем является крупнейший специалист в области динамических систем профессор Имперского колледжа Лондона Дмитрий Тураев. О результатах, которых удалось достичь коллективу лаборатории к сегодняшнему дню, и о планах работы на ближайшие два года он рассказал новостной службе портала.

Международная лаборатория социальной нейробиологии будет изучать влияние фейковых новостей на поведение человека

Принято решение о продлении на 2022–2023 годы мегагранта, который был выделен российским правительством Международной лаборатории социальной нейробиологии НИУ ВШЭ, созданной два года назад под руководством ведущего финского нейробиолога Ииро Яскелайнена. О научных результатах, которых удалось достичь за этот период, и о перспективах работы на следующие два года рассказал заведующий лабораторией Василий Ключарев.

В НИУ ВШЭ появятся три новые международные лаборатории

Две международные лаборатории будут созданы в МИЭМ, одна на факультете географии и геоинформационных технологий ВШЭ. Всего на конкурс было подано 17 заявок, 3 из которых поддержаны.

Нейробиолог Василий Ключарев — о новых лабораториях международного уровня в Вышке

Недавно в НИУ ВШЭ открылся новый лабораторный кластер Института когнитивных нейронаук. В одном пространстве оказалось около десяти научных лабораторий, занимающихся когнитивными науками. А у их сотрудников появилась возможность обмениваться опытом и совместно использовать эксклюзивное оборудование для проведения экспериментов. О том, какие исследовательские перспективы в области нейронаук открываются благодаря новому лабораторному кластеру в НИУ ВШЭ, и насколько глубоко ученые проникли в тайны мозга человека, IQ.HSE поговорил с директором Института когнитивных нейронаук Василием Ключаревым.

Ученые получили новые данные об экзотических тяжелых адронах

В ходе эксперимента Belle исследователи впервые измерили энергетическую зависимость эксклюзивных реакций рождения B-мезонов. Новые данные позволят выяснить природу группы экзотических Upsilon-мезонов, имеющих массы в области энергий от 10.63 до 11.02 гигаэлектронвольта. Результаты работы опубликованы в журнале Journal of High Energy Physics. В эксперименте Belle принимали участие более 400 исследователей, включая сотрудников Международной лаборатории физики элементарных частиц ВШЭ.

Исследователи изучили публикационную активность на постсоветском пространстве

Российские ученые публикуют три четверти научных работ на постсоветском пространстве. Но в целом на страны бывшего СССР приходится около 3% от общемирового числа научных статей. При этом за последние 30 лет выросла роль университетов: сотрудники вузов участвуют в подготовке более половины публикуемых научных статей последних лет. Об этом говорится в исследовании публикационной активности ученых стран бывшего СССР.

Ученые предложили систему углеродного долга для контроля глобального потепления

Международная группа исследователей, в которую входит научный сотрудник Международной лаборатории теории игр и принятия решений ВШЭ  Артем Бакланов, предложила рассматривать производство парниковых газов как финансовый долг. При таком подходе предприятиям выгоднее начать бороться с вредными последствиями своей работы уже сейчас. Исследование опубликовано в журнале Nature.

Исследователи ВШЭ нашли последовательность нуклеотидов, отвечающую за эффективную борьбу с патологиями

Сотрудники Mеждународной лаборатории микрофизиологических систем ВШЭ обнаружили последовательность нуклеотидов, характерную для дефектных микроРНК. Это открытие позволит предсказывать ошибки в поведении микроРНК и создавать на их основе лекарственные препараты более эффективно распознающие свои мишени, в том числе, вирусы. Результаты исследования опубликованы в журнале RNA Biology.

Роборука, лазеры и магнитная стимуляция: как исследователи Вышки изучают работу мозга

Институт когнитивных нейронаук (ИКН) ВШЭ недавно установил новейшее лабораторное оборудование для изучения работы мозга. Команда новостной службы портала побывала в Институте и узнала зачем нужны уникальная роборука, оптические томографы и инфракрасные лазеры, для чего надо изучать оттенки венозной и артериальной крови, какие участки коры мозга надо стимулировать, чтобы сделать человека более щедрым, и помогут ли эти исследования лечить болезни.