Больше трёх столетий назад Бенджамин Франклин доказал электрическую природу молний, запустив знаменитого воздушного змея во время грозы. Однако точный механизм того, как именно зарождается разряд в грозовом облаке, оставался одной из величайших загадок атмосферной физики. До сегодняшнего дня.
Международная команда учёных под руководством профессора электротехники Виктора Паско из Пенсильванского университета представила первое точное количественное объяснение процесса формирования молний. Их революционное исследование, опубликованное в Journal of Geophysical Research, раскрывает невидимую цепную реакцию, которая превращает обычное грозовое облако в источник разрушительной энергии.
Космическая цепная реакция в земной атмосфере
Новая модель показывает, что молния — это результат мощной цепной реакции, начинающейся в космосе. Высокоэнергетические частицы космических лучей, преимущественно протоны от Солнца, взрывов сверхновых и пульсаров, врываются в верхние слои атмосферы и запускают каскад событий.
Внутри грозовых облаков сильные электрические поля ускоряют свободные электроны, заставляя их сталкиваться с молекулами азота и кислорода. Эти столкновения производят рентгеновское излучение, которое, в свою очередь, порождает новые электроны и высокоэнергетические фотоны.
«Наши результаты дают первое точное количественное объяснение того, как в природе возникает молния», — поясняет Виктор Паско. — «Это позволяет установить связь между рентгеновскими лучами, электрическими полями и физикой электронных лавин».
Математическая модель "Фотоэлектрический разряд с обратной связью"
Команда Паско разработала математическую модель под названием "Фотоэлектрический разряд с обратной связью", которая объясняет, как релятивистские электроны размножаются в электрических полях и порождают гамма-всплески. Модель впервые предоставляет полностью зависящие от времени симуляции, которые можно применить к событиям, наблюдаемым на разных высотах.
Докторант Заид Первез сравнил данные моделирования с реальными наблюдениями, полученными с помощью наземных датчиков, спутников и высотных самолётов. «Мы объяснили, как происходят фотоэлектрические явления, какие условия должны быть в грозовых облаках, чтобы запустить каскад электронов», — отмечает исследователь.
Невидимый пинбол в небесах
Процесс можно сравнить с невидимой игрой в пинбол. Мощные электрические поля действуют как пружины, ускоряющие электроны, которые врезаются в молекулы воздуха подобно металлическим шарикам. Каждое столкновение порождает новые электроны и фотоны, создавая лавинообразный эффект.
Разгадка "тёмных молний"
Одним из важнейших достижений стало объяснение феномена "тёмных молний" — мощных рентгеновских всплесков в небе без видимых вспышек и радиоимпульсов.
«В нашем моделировании высокоэнергетическое рентгеновское излучение, возникающее в результате релятивистских электронных лавин за счёт фотоэлектрического эффекта в воздухе, генерирует новые первичные электроны», — поясняет Паско. Эта неуправляемая цепная реакция может сильно варьироваться по силе, что объясняет, почему гамма-всплески возникают в областях, которые кажутся оптически тусклыми и радиомолчаливыми.
Земные гамма-всплески
Исследование также проливает свет на природу земных гамма-всплесков — невидимых вспышек высокоэнергетического излучения, сопровождающих некоторые молнии. Эти явления долгое время озадачивали учёных, поскольку они часто происходят без заметных оптических или радиосигналов.
Рекордная "мегавспышка" протяжённостью 515 миль
Параллельно с разгадкой механизма образования молний учёные зафиксировали новый мировой рекорд протяжённости молниевого разряда. В октябре 2017 года молния протянулась на 515 миль от восточного Техаса почти до Канзас-Сити, превысив предыдущий рекорд на 38 миль.
Рэнди Серени из Университета Аризоны, который участвовал в измерении этой "мегавспышки", отмечает: «Мы называем это мегавспышками молний, и мы только сейчас выясняем механику того, как и почему они возникают».
Технологические прорывы в наблюдении
Спутниковые детекторы молний, находящиеся на орбите с 2017 года, сделали возможным непрерывное обнаружение и точное измерение молний на континентальных расстояниях. Геостационарный спутник NOAA GOES-16 обнаруживает около миллиона вспышек молний в день.
«Наши метеорологические спутники несут очень точное оборудование для обнаружения молний, которое мы можем использовать для документирования с точностью до миллисекунды, когда начинается вспышка молнии и как далеко она распространяется», — объясняет Серени.
Зигзагообразная траектория: разгадка австралийских учёных
Отдельное исследование австралийских физиков объяснило, почему молния движется зигзагами. Доктор Джон Лоуке из Университета Южной Австралии предложил механизм, основанный на синглет-дельта метастабильных состояниях молекул кислорода.
Когда электроны сталкиваются с молекулами кислорода, они переходят в высокоэнергетическое метастабильное состояние. При достаточной концентрации таких молекул воздух становится способным проводить электричество, создавая ступенчатую структуру молниевого канала длиной около 50 метров каждая.
Практическое значение открытий
Безопасность и защита
Новое понимание механизмов молний имеет критическое значение для безопасности. Ежегодно молнии ответственны за около 24 000 смертей и 240 000 травм по всему миру, а также за миллионы долларов ущерба.
«Мегавспышки подчёркивают значительную проблему, связанную с грозами», — предупреждает Серени. — «Вспышка молнии может начаться в грозе, расположенной очень далеко, и пройти, как мы только что продемонстрировали, 500 миль, прежде чем закончиться».
Космические миссии и авиация
NASA проявляет особый интерес к исследованиям молний для собственных операций. Удары молний по космическим аппаратам могут вызвать серьёзные повреждения, как это произошло во время запуска Apollo 12 в 1969 году.
Космические и дальнобойные наблюдения молний предоставляют детали о грозах в отдалённых местах, что помогает определить маршруты полётов и области с интенсивными осадками.
Новые горизонты исследований
Перспективы дальнейших открытий
«Мы обнаружим больше», — уверен Серени. — «Мы всё ещё находимся в процессе оценки данных». Спутниковые детекторы молний работают всего около десятилетия — короткий период в контексте климатической науки, и остаётся огромное количество данных для анализа.
Крис Вагаски из компании Vaisala, специализирующейся на безопасности от молний, подчёркивает важность новых инструментов: «Я с нетерпением жду, как изменятся места возникновения молний. Доступ ко всем этим наборам данных значительно улучшит наше понимание молний и гроз».
Технологические применения
Исследователи полагают, что уникальный механизм создания молний может проложить путь для новых источников рентгеновского излучения. Понимание физики электронных лавин открывает возможности для разработки новых технологий.
Редакция журнала «ОК» продолжает следить за развитием атмосферной физики и её практическими применениями. Эти прорывные открытия не только удовлетворяют научное любопытство, но и обещают конкретную пользу для обеспечения безопасности людей и защиты технологий.
Что вы думаете об этих открытиях? Поделитесь своими мыслями в комментариях, задавайте вопросы — мы обязательно ответим на каждый. Подписывайтесь на наши обновления, чтобы не пропустить новые материалы о самых интригующих загадках природы!