Лехтинен Н.Г.
 Статья на сайте eLibrary

Стример - это вид электрического разряда, при котором образуется столб ионизированной материи, растущий за счёт усиленного поля на его конце. Стримеры в воздухе являются важной стадией искрового разряда, в частности молнии, и образуют спрайты (разряды в мезосфере). Стримеры в больших разрядах (в спрайтах, в лабораторных экспериментах с метровым межэлектродными промежутком и мегавольтным напряжением, в молнии) создают большие разветвлённые структуры. За распространение стримеров отвечают микроскопические процессы: ионизация, прилипание, дрейф и диффузия электронов, фотоионизация, ионные процессы (отлипание, рекомбинация и т. д.). Их численное моделирование воспроизводит колоннообразную форму ионизационного фронта, но не позволяет идентифицировать физические и математические механизмы выбора радиуса, скорости стримера и ветвления. Стример можно описать конечным набором параметров, таких как скорость и радиус головки. Соотношения между этими параметрами известны, но не составляют полной системы уравнений: остаётся один свободный параметр (радиус), задающий стримерную «моду» (терминология выбрана по аналогии с малыми поперечными гармоническими возмущениями плоского ионизационного фронта). В качестве дополнительного требования, дающего однозначное решение, мы предлагаем выбор наиболее неустойчивой моды, обладающей максимальной скоростью. Таким образом, мы рассматриваем стример как нелинейную неустойчивость. Такой подход даёт результаты, согласующиеся с экспериментальными измерениями скорости, а также порогового электрического поля для распространения стримеров. Статья написана по материалам лекции, представленной на XIX Научной школе «Нелинейные волны».

На английском языке
Physics and mathematics of electric streamers
Lehtinen N.G.

A streamer is a kind of electric discharge in which there forms a column of ionized matter growing due to amplified field at its tip. Streamers in air are an important stage of spark discharge, in particular lightning, and constitute sprites (mesospheric discharges). Streamers in large discharges (in sprites, in laboratory experiments with a meter-scale inter-electrode gap and megavolt potential difference, and in lightning) create large branched structures. Microscopic processes, which are responsible for propagation of streamers, are: ionization, attachment, electron drift and diffusion, photoionization, ion processes (detachment, recombination, etc.). Their numerical modeling reproduces the columnar shape of the ionization front, but does not allow to identify the physical and mathematical mechanisms of how the streamer radius and speed are chosen and of branching. A streamer may be described by a finite set of parameters, such as its speed and the radius of its head. The relations between these parameters are known, but do not constitute a complete set of equations: one free parameter (the radius) remains, which defines a streamer "mode" (terminology is chosen by analogy with small transverse harmonic perturbations of a flat ionization front). As an additional requirement which would give a unique solution, we propose the choice of the most unstable mode that has the maximum speed. Thus, we treat the streamer as a nonlinear instability. This approach produces results which agree with experimental measurements of streamer speeds, as well as of the streamer propagation threshold field. This article is prepared based on material of a lecture presented at the XIX Scientific School "Nonlinear Waves."

DOI: https://doi.org/10.52452/00213462_2021_64_01_12