«Гром впечатляет, — писал Марк Твен, — но дело делает молния». Любой, кто наблюдал за грозой, поймет, что он имел в виду: молния — одно из самых внушающих благоговение явлений природы, освещающая небо своими устрашающими разветвлениями.
По данным Метеорологического бюро Великобритании, молния поражает планету до 1,4 миллиарда раз в год , или примерно 44 раза в секунду. И это больше, чем просто световое шоу: молнии играют решающую роль в поддержании электрического баланса Земли под контролем ; помогает в фиксации азота , тем самым помогая растениям расти; и потенциально даже помогает очистить атмосферу от загрязняющих веществ .
Но некоторые удары молнии действуют сильнее, чем другие. В то время как большинство вспышек молний имеют длину от 2 до 3 миль (от 3,2 до 4,8 километров), некоторые поистине колоссальные молнии время от времени потрескивают над нашими головами, разветвляясь на сотни миль неба. Но насколько большой может быть молния? И стоит ли нам беспокоиться об этих гигантских болтах?
Как делается молния
Молнии возникают в грозовых облаках, когда в одной области облака возникает сильный положительный заряд, а в другой — сильный отрицательный заряд, что создает между ними электрические силы.
«Вспышка молнии возникает в регионе, где электрические силы чрезвычайно сильны», — сказал Дон Макгорман, физик и старший научный сотрудник Национальной лаборатории сильных штормов Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA) в Оклахоме. «Они становятся настолько сильными, что воздух больше не может противостоять электрическому напряжению и разрушается».
Это означает, что по мере роста электрической силы разрушается изолирующая способность воздуха, которая обычно удерживает области с разным зарядом отдельно друг от друга. Исследователи считают, что это происходит из-за того, что накопление чрезмерной электрической силы начинает ускорять «свободные» электроны — те, которые не присоединены к атому или молекуле — в воздухе, в свою очередь, выбивая другие электроны из их атомов и молекул, сказал Макгорман. Этот процесс продолжается, ускоряя все больше и больше электронов. «Ученые называют этот процесс электронной лавиной, и именно это мы имеем в виду, когда говорим, что воздух распадается», — сказал Макгорман Live Science.
Это в конечном итоге создает очень горячий канал в воздухе, который действует как провод, концы которого растут наружу к положительным и отрицательным зарядам, вызвавшим пробой. Растущий канал в конечном итоге соединяет положительные и отрицательные заряды, и когда это происходит, он запускает мощный электрический ток, известный нам как вспышка молнии.
«Думайте об этом как о гигантской искре, проросшей сквозь облако», — сказал Макгорман.
Иногда нижняя часть облака, которая обычно содержит положительный заряд, сама по себе не имеет достаточного заряда, чтобы остановить канал. Таким образом, молния продолжает расти, простираясь вниз к земле. При этом он вытягивает восходящую искру из земли, чтобы встретить ее, вызывая вспышку молнии с мощными электрическими токами, которые переносят часть заряда бури на землю. Эти каналы от облака к земле — это то, что большинство из нас обычно представляет, когда думает о молнии — эти яркие разветвления, ударяющие в Землю .
Облако - это предел
Но какие факторы ограничивают размеры этих массивных болтов? Исследователи пытались ответить на этот вопрос на протяжении десятилетий. По вертикали протяженность вспышки ограничена высотой грозового облака или расстоянием от земли до его вершины, которое в максимальной точке составляет около 12 миль (20 км).
Но по горизонтали обширная облачная система предоставляет гораздо больше возможностей для экспериментов. Вот где тяжеловесы творят свое волшебство.
Еще в 1956 году Майрон Лигда, метеоролог из Техаса, использовал радар для обнаружения вспышки, охватывающей более 100 миль (160 км). В то время это было признано самой длинной из когда-либо зарегистрированных вспышек молнии. С тех пор достижения в области технологий позволили исследователям измерять гораздо более крупные вспышки и их большее количество.
В 2007 году исследователи обнаружили над Оклахомой болт длиной 200 миль (322 км). Но всего десятилетие спустя этот рекорд был стерт: в октябре 2017 года облака над Средним Западом выпустили такую мощную вспышку молнии, что она осветила небо над Техасом, Оклахомой и Канзасом. Протянувшийся более чем на 310 миль (500 км) по трем штатам толчок был настолько беспрецедентным, что группа исследователей опубликовала исследование о нем в журнале Bulletin of the American Meteorological Society , назвав его «мегавспышкой». Это была одна из самых больших вспышек молнии, когда-либо зарегистрированных.
Но даже эта вспышка была превзойдена. К счастью, на Хэллоуин 2018 года позже выяснилось, что молния над Бразилией охватила более 440 миль (709 км). Держа метеорологов в напряжении, небеса побили этот рекорд, выпустив 29 апреля 2020 года еще одного бегемота — мегавспышку, которая простиралась от Техаса до Миссисипи и охватила 477 миль (768 км).
В то время как молния традиционно наблюдалась с помощью наземных систем, таких как антенны и радары, многие из этих рекордных вспышек теперь регистрируются с помощью спутников. Один из них, называемый геостационарным картографом молний , состоящий из датчиков на двух спутниках, вращающихся вокруг Земли, помог выявить огромные масштабы вспышек молний в октябре 2017 года, сказал Макгорман, автор исследования об этой бывшей рекордной вспышке. . «Эта система реагирует на свет, излучаемый вершиной облака, поэтому мы видим свет от вспышек молнии и затем можем нанести его на карту практически по всему полушарию», — сказал МакГорман.
Создание гигантов
Но даже с этими захватывающими визуальными открытиями исследователи до сих пор не уверены в точной механике, лежащей в основе таких длительных электрических иллюминаций. Размер облака почти наверняка играет роль; также необходимы, по словам Макгормана, определенные «мезомасштабные процессы — крупномасштабные ветровые потоки, которые позволяют этой системе быть связанными вместе и сохраняться в течение длительного времени».
На фоне этих чудовищных облаков, что на самом деле происходит внутри них? «Эти мегавспышки выглядят как непрерывная последовательность разрядов в очень близкой последовательности», — сказал Кристофер Эмерсик, научный сотрудник, изучающий электрификацию грозы в Манчестерском университете в Великобритании.
Он предполагает, что если облачная система сильно заряжена на большой площади, серия разрядов может распространяться через нее, как линия падающих костяшек домино. «Если все костяшки домино расставлены без слишком большого промежутка, одна вызывает другую в большой серии опрокидываний», — сказал Эмерсик в интервью Live Science. «В противном случае это «не сработает», и в этом случае вы получите только меньшее пространственное событие молнии, а не мегавспышку».
Чем больше родительское облако, тем больше возможностей для продолжения распространения разряда — «поэтому мегавспышки в принципе могут быть такими же большими, как родительское облако, если структура заряда будет благоприятной», — сказал Эмерсик.
Это также означает, что, скорее всего, вспышек гораздо больше, чем мы уже видели. «Штормы могут стать больше, чем [те, по которым мы измеряли]», — сказал Макгорман.
В сочетании с более совершенными инструментами обнаружения это делает вероятным, что охотники за молниями будут находить еще более крупные разряды, которые побьют текущие рекорды и повысят нашу осведомленность об этих огромных природных подвигах.
Основание для беспокойства?
Несмотря на рисуемую ими апокалиптическую картину, мегавспышки не обязательно опаснее обычных молний. «Пространственно обширная вспышка не обязательно означает, что она несет больше энергии», — сказал Эмерсик.
Однако из-за того, что облачные системы, из которых они происходят, настолько обширны, удары мегавспышек бывает трудно предсказать. «Такие события часто могут приводить к ударам по земле вдали от основной активности молний в конвективном ядре», — сказал Эмерсик. «Кто-то на земле мог подумать, что буря прошла, но был застигнут врасплох одним из этих пространственно обширных разрядов, казалось бы, из ниоткуда».
По словам Эмерсика, также возможно, что в условиях потепления в мире может произойти всплеск типов штормов, которые вызывают мегавспышки. «И таким образом, косвенно, это может сделать условия более вероятными, тем самым увеличивая их частоту».
Однако на данный момент мегавспышки не так распространены; По оценкам Макгормана, они составляют лишь около 1% вспышек молнии в целом. Тем не менее, такие исследователи, как он, продолжат охоту — и, без сомнения, открытие — еще больших бегемотов, чтобы мы могли изумляться.
