Numerical investigation on the advance of leader channels in lightning and long sparks

Resumen

Esta tesis tiene por objeto estudiar la propagación a saltos del canal de un rayo con un enfoque eminentemente numérico. Hemos desarrollado nuevo modelo numérico 2D con simetría cilíndrica capaz de describir el transporte de carga, las interacciones electrostáticas, el calentamiento y la expansión del gas que se dan en una descarga eléctrica. Al desarrollar un modelo numérico, es siempre importante su optimización para así agilizar las simulaciones. Para ello hemos implementado un método numérico que nos permite resolver la ecuación de Poisson en un dominio computacional ajustado a las dimensiones físicas de la descarga que simulamos. Este método también se puede utilizar para optimizar el cálculo del término de fotoionización que aparece en los códigos numéricos de descargas tipo dardo. Hemos usado nuestro modelo para investigar el origen de los tallos espaciales. Estos son manchas luminosas que aparecen delante de un líder a medida que se propaga. Nuestros resultados muestran que los tallos espaciales se originan en zonas de conductividad reducida en los dardos que forman las coronas en torno al líder. Una inestabilidad de adhesión incrementa el campo eléctrico en estas zonas de conductividad reducida. Esto conduce a zonas inhomogéneas, brillantes y más calientes delante del líder que explican las observaciones existentes. Los tallos espaciales son capaces de lanzar descargas tipo dardo. Estas descargas podrían ser responsables de calentar el tallo espacial hasta temperaturas cercanas a las del líder. De igual manera, descargas eléctricas a gran altitud como los ”sprites” desarrollan una versión a temperatura ambiente del tallo espacial que se conoce como ”brillo”. Como los tallos espaciales, los brillos son capaces de lanzar dardos. Hemos estudiado el mecanismo que subyace al lanzamiento de estos dardos con AFIVO 3D, un modelo para descargas eléctricas de tipo dardo. Nuestros resultados apuntan a que, de nuevo, una inestabilidad de adhesión produce una acumulación de carga en los bordes del ”brillo”, lo que lleva al lanzamiento de descargas tipo dardo. Esto explica la característica forma de los ”sprites” de tipo zanahoria. Finalmente, hemos estudiado el efecto que tiene una corriente fluyendo a través de un plasma similar al tallo espacial. El origen de esta corriente podría ser las descargas tipo dardo que emanan del mismo. También hemos estudiado la influencia del agua en el desarrollo del tallo espacial bajo una corriente eléctrica forzada. Nuestros resultados muestran que el agua favorece el desarrollo de inhomogeneidades en el plasma que inicialmente eran pequeñas. Esto explica algunas de las características observadas en los saltos de los lideres y subraya la importancia de que los modelos químicos incluyan agua para abordar la propagación del líder.