Новая модель, возможно, наконец-то объяснила, откуда у грозовых облаков берётся недостающая энергия.
Молния ударяет в землю во время грозы, приближающейся к Триесту, Италия. (Изображение предоставлено: Юре Батагель / 500px через Getty Images)
Согласно новому исследованию, энергия, необходимая для возникновения гроз, может поступать от лавины электронов, испускаемых внеземными космическими лучами.
Учёные уже знали, что молния — это электрический разряд между грозовыми облаками и поверхностью Земли, но то, как именно грозовые облака создают электрическое поле, достаточно мощное, чтобы вызвать разряд, оставалось загадкой на протяжении веков.
Новое исследование с использованием компьютерных моделей показало, что молния возникает в результате мощной цепной реакции, которая начинается в космическом пространстве. Исследователи опубликовали свои выводы 28 июля в Журнале геофизических исследований: Атмосфера.
«Наши результаты дают первое точное количественное объяснение того, как в природе возникает молния, — заявил ведущий автор исследования Виктор Паско, профессор электротехники в Школе электротехники и компьютерных наук Пенсильванского университета. Цитата из заявления — Это связывает воедино рентгеновское излучение, электрические поля и физику электронных лавин».
Электрическая природа молнии была доказана Бенджамином Франклином в 1752 году. Знаменитый эксперимент Франклина, хотя его часто неверно представляют, заключался в том, что он запускал воздушного змея, привязанного к проволоке длиной 1 фут (0,3 метра) с одной стороны и к бечёвке, прикреплённой к ключу с другой стороны, который Франклин держал шёлковой лентой. Когда начиналась гроза, змей электризовался, а бечёвка намокала, так что от ключа к его вытянутому пальцу проскакивала маленькая искра.
Несмотря на это открытие, данные, полученные с самолётов и метеозондов, показывают, что электрическое поле, необходимое для того, чтобы электроны опустились на Землю, примерно в 10 раз больше, чем то, которое на самом деле измеряется внутри грозовых облаков.
Существуют две конкурирующие теории, объясняющие, как на самом деле возникает молния. Первая теория, связанная с атмосферным статическим электричеством, гласит, что трение между ледяными кристаллами в грозовых облаках отделяет отрицательно заряженные электроны от атомов, в результате чего они накапливаются до тех пор, пока не ионизируют частицы в атмосфере под ними, высвобождая достаточное количество электронов, чтобы они устремились к земле по множеству разветвлённых путей.
Согласно второй теории, первичная ионизация происходит под воздействием космических лучей — высокоэнергетических субатомных частиц (в основном протонов) из космоса, которые попадают в верхние слои атмосферы. Эти лучи исходят от Солнца; в результате взрывов звёзд, называемых сверхновыми; от быстро вращающихся нейтронных звёзд, называемых пульсарами; а также из других, неизвестных источников. Когда космические частицы попадают в атмосферу, они вызывают лавинообразный распад электронов, который заканчивается каскадом, достигающим поверхности Земли.
В новом исследовании учёные объединили данные наземных датчиков, спутников и высотных самолётов-разведчиков и сопоставили эту информацию с математической моделью, которая имитирует условия в грозовом облаке перед ударом молнии.
Моделирование с помощью этой модели подтвердило теорию космических лучей, показав, что электроны, образующиеся при столкновении высокоскоростных протонов с молекулами в атмосфере, такими как азот и кислород, ускоряются вдоль силовых линий электрического поля и размножаются. По словам исследователей, это приводит к лавинообразному выбросу электронов, в результате чего образуются высокоэнергетические фотоны, вызывающие молнии.
Примечательно, что эта модель также объясняет, почему перед ударом молнии возникают вспышки гамма-излучения — высокоэнергетических фотонов — и рентгеновских лучей.
«В нашем моделировании высокоэнергетическое рентгеновское излучение, возникающее в результате релятивистских электронных лавин, генерирует новые первичные электроны за счёт фотоэлектрического эффекта в воздухе, что приводит к быстрому усилению этих лавин», — сказал Паско. «Эта неуправляемая цепная реакция не только возникает в очень компактных объёмах, но и может протекать с разной интенсивностью, часто приводя к заметному уровню рентгеновского излучения и сопровождаясь очень слабым оптическим и радиоизлучением. Это объясняет, почему гамма-всплески могут исходить из областей, которые выглядят оптически тусклыми и радиомолчаливыми.