@misc{10481/67863,
year = {2021},
url = {http://hdl.handle.net/10481/67863},
abstract = {This thesis aims to study the stepped propagation of lightning channels with
a prominently numerical approach. We have built a self-consistent state-ofthe-
art 2D cylindrically symmetric model that accounts for charge transport,
electrostatic interactions, gas heating, and expansion. In our efforts for improving
our model, we have implemented a numerical method to solve the
Poisson equation that allows us to reduce the size of the computational domain,
speeding up our simulations. This method is also valid to optimize the
calculation of the photoionization term in streamer discharge codes.
We have used our model to investigate the emergence of space stems. These
are luminous spots that appear ahead of an advancing leader mediating the
leader’s stepped propagation. We show that space stems start as regions of locally depleted conductivity that form in the streamers of the corona around
the leader. An attachment instability enhances the electric field leading to
strongly inhomogeneous, bright, and locally warmer regions ahead of the
leader that explain the existing observations.
Space stems are known to readily launch counter-propagating streamers. These
are believed to heat the space stem close to leader temperatures. Similarly,
high-altitude electric discharges such as sprites develop a non-thermal version
of a space stem known as glow. As space stems, glows also shoot counterpropagating
streamers. We have studied the mechanism underlying the onset
of these counter-propagating streamers with the AFIVO 3D streamer model.
Our results show that an attachment instability leads to a charge accumulation
at the boundaries of the glow, which enables it to shoot these counterpropagating
streamers. This explains the characteristic shape of carrot sprites.
Finally, we have studied the effect of a forced electric current through a spacestem-
like structure. The source of this electric current could be the counterpropagating
streamers mentioned above. In the same way, we have studied
the influence of water in the development of a space stem under such conditions.
Our results show that water enhances the initially small plasma inhomogeneities.
This explains some of the features observed in the leader
stepping and highlights the relevance of water chemistry models to address
leader propagation.},
abstract = {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.},
organization = {Tesis Univ. Granada.},
organization = {European Research Council (ERC) under the European Union H2020 programme/ERC grant agreement 681257},
organization = {State Agency for Research of the Spanish MCIU through the “Center of Excellence Severo Ochoa” award for the Instituto de Astrofísica de Andalucía (SEV-2017-0709)},
publisher = {Universidad de Granada},
keywords = {Física de rayos},
keywords = {Lightning physics},
title = {Numerical investigation on the advance of leader channels in lightning and long sparks},
author = {Malagón Romero, Alejandro Francisco},
}