Во время шторма в 2018 году, молния сверкнула над сетью радиотелескопов в Нидерландах. Подробные записи телескопов, которые были обработаны совсем недавно, показывают то, чего никто раньше не видел: молния фактически возникает внутри грозовой тучи.
В новой статье, которая скоро будет опубликована в журнале Geophysical Research Letters, исследователи использовали наблюдения, чтобы разрешить давнюю дискуссию о том, что вызывает молнию. В школьном учебнике говориться, что они возникают при сильной электризации туч или земли. Поэтому разряды молнии могут происходить или внутри облака, или между соседними наэлектризованными облаками, или между наэлектризованным облаком и землей. Разряду молнии предшествует возникновение разности электрических потенциалов между соседними облаками или между облаком и землей.
Однако электрические поля внутри облаков примерно в 10 раз слабее чем необходимо, чтобы создавать искры. «Люди десятилетиями посылали воздушные шары, ракеты и самолеты в грозы, и никогда не видели электрических полей достаточно больших», - сказал Джозеф Дуайер, физик из Университета Нью-Гэмпшира и соавтор новой статьи, ломал голову над происхождением молнии более двух десятилетий.
Большим препятствием является непрозрачность облаков; даже самые лучшие камеры не могут заглянуть внутрь, чтобы увидеть момент включения. Совсем недавно метеозонды делали снимки внутри облаков, но их присутствие имеет тенденцию искажать данные, искусственно создавая искры, которые не возникают естественным образом. «В течение долгого времени мы действительно не знали, каковы условия внутри грозы в то время и в месте, где возникает молния», - сказал Дуайер.
Итак, Дуайер и его команда обратились к Low Frequency Array (LOFAR), сети тысяч небольших радиотелескопов в основном в Нидерландах. LOFAR обычно смотрит на далекие галактики и взрывающиеся звезды. Но, по словам Дуайера, «просто так получилось, что он действительно хорошо работает и для измерения молний».
Когда над головой катятся грозы, LOFAR мало что может сделать с астрономией. Поэтому вместо этого телескоп настраивает свои антенны, чтобы обнаружить залп из миллиона или около того радиоимпульсов, исходящих от каждой вспышки молнии. В отличие от видимого света, радиоимпульсы могут проходить сквозь толстые облака.
Материализованная молния производит миллионы радиоимпульсов. Чтобы восстановить трехмерное изображение молнии из беспорядочного набора данных, исследователи использовали алгоритм, аналогичный тому, который использовался при высадках Аполлона на Луну. Алгоритм постоянно обновляет то, что известно о положении объекта. В то время как одна радиоантенна может указывать только приблизительное направление вспышки, добавление данных от второй антенны обновляет положение. Посредством непрерывного цикла в тысячах антенн LOFAR алгоритм строит четкую карту.
Когда исследователи проанализировали данные о вспышке молнии в августе 2018 года, они увидели, что все радиоимпульсы исходили из области шириной 70 метров в глубине грозового облака. Они быстро пришли к выводу, что последовательность импульсов подтверждает одну из двух ведущих теорий о том, как начинается самый распространенный тип молнии.
Новые наблюдения указывают на правоту одной из теорий. Образование молнии начинается со скоплений кристаллов льда внутри облака. Турбулентные столкновения между кристаллами игольчатой формы смывают часть их электронов, оставляя один конец каждого кристалла льда положительно заряженным, а другой - отрицательно заряженным. Положительный конец притягивает электроны от ближайших молекул воздуха. Большое количество электронов поступает от молекул воздуха, которые находятся дальше, образуя ленты ионизированного воздуха, которые отходят от каждого кончика кристалла льда. Это так называемые стримеры.
Каждый наконечник кристалла порождает орды стримеров, отдельные стримеры разветвляются снова и снова. Стримеры нагревают окружающий воздух, массово отрывая электроны от молекул воздуха, так что большой ток течет по кристаллам льда. В конце концов стример становится достаточно горячим и проводящим, чтобы превратиться в лидера - канала, по которому может внезапно перемещаться полноценная полоса молнии.
«Это то, что мы видим», - сказал Кристофер Стерпка, первый автор новой статьи. На записи, показывающем инициирование вспышки, радиоимпульсы нарастают экспоненциально, вероятно, из-за наводнения стримеров.
Ключевая роль кристаллов льда совпадает с недавно полученными результатами показывающие, что активность молний снизилась более чем на 10% в течение первых трех месяцев пандемии COVID-19. Исследователи связывают это падение с локдаунами, которые привели к уменьшению количества загрязняющих веществ в воздухе и, следовательно, меньшему количеству мест зарождения кристаллов льда.
#молнии #Физика #наука #научпоп
