Энергия, необходимая для гроз, может поступать из лавины электронов, вызванных внеземными космическими лучами. То есть, зарождение молнии может происходить аж в космосе, утверждает новое исследование.
Как пишет издание Live Science, ученым уже было известно, что молния – это электрический разряд между грозовыми облаками и поверхностью Земли. Но то, как именно грозовые облака создают электрическое поле, достаточно мощное для возникновения молнии, оставалось загадкой на протяжении веков.
Новое исследование с использованием компьютерных моделей показало, что молния возникает в результате мощной цепной реакции, начало которой лежит в космическом пространстве. Результаты этой работы были опубликованы в конце июля в журнале Journal of Geophysical Research: Atmospheres.
"Наши результаты дают первое точное количественное объяснение того, как зарождается молния в природе", – заявил руководитель исследования, профессор электротехники в Школе электротехники и компьютерных наук Университета штата Пенсильвания Виктор Пасько. По его словам, процесс связывает воедино рентгеновские лучи, электрические поля и физику электронных лавин.
Электрическая природа молнии была подтверждена Бенджамином Франклином еще в 1752 году. Знаменитый, хотя и часто искаженный эксперимент Франклина включал запуск воздушного змея, который был одним концом привязан к проводу длиной 0,3 метра, а другим – к ключу, который Франклин держал шелковой лентой. Когда начиналась гроза, воздушный змей наэлектризовывался, а веревка намокала, так что с ключа на вытянутый палец Франклина перескакивала небольшая искра.
Несмотря на это открытие, данные, полученные с самолетов и метеозондов, показывают, что электрическое поле, необходимое для каскадного падения электронов на Землю, примерно в 10 раз сильнее, чем то, что фактически измеряется внутри облаков.
Природу возникновения молнии объясняют две конкурирующие между собой теории. Первая из них – теория статического атмосферного электричества – предполагает, что трение между ледяными скоплениями в грозовых облаках отделяет отрицательно заряженные электроны от атомов, заставляя их объединяться до тех пор, пока они не ионизируют частицы в атмосфере под ними, освобождая достаточное количество электронов, которые стремительно спускаются к земле по нескольким разветвленным траекториям.
Согласно второй теории, эта первоначальная ионизация вызывается космическими лучами — высокоэнергетическими субатомными частицами (преимущественно протонами) из космоса, которые попадают в верхние слои атмосферы. Эти лучи происходят от Солнца, звездных взрывов, которые мы называем сверхновыми, пульсаров – быстро вращающихся нейтронных звезд и других неизвестных источников. Когда космические частицы попадают в атмосферу, они вызывают неуправляемый пробой электронов, который заканчивается разрядом, бьющим по земле.
В новом исследовании ученые объединили данные с наземных датчиков, спутников и высотных самолетов-разведчиков и сопоставили эту информацию с математической моделью, имитирующей условия в облаке перед ударом молнии.
Расчеты, проведенные с помощью модели, подтвердили теорию космических лучей, показав, что электроны, рожденные высокоскоростными протонами, ускоряются вдоль линий электрического поля и размножаются при столкновении с молекулами в атмосфере, такими как азот и кислород. По словам исследователей, это приводит к лавине электронов, которые порождают высокоэнергетические фотоны, что, в свою очередь, запускает молнию.
Примечательно, что модель также объясняет, почему вспышки гамма-излучения (высокоэнергетических фотонов) и рентгеновского излучения происходят перед ударами молнии.
"В нашем моделировании высокоэнергетические рентгеновские лучи, которые образуются во время лавин релятивистских электронов, создают новые зародышевые электроны благодаря фотоэлектрическому эффекту в воздухе, что быстро усиливает эти лавины", — сказал Пасько. Поскольку эта реакция возникает в очень компактных объемах, она может развиваться как лавинообразная цепная реакция со значительной изменчивостью интенсивности, часто достигая уровней рентгеновского излучения, которые можно зафиксировать, хотя сопровождается лишь очень слабыми оптическими и радиосигналами. Это и объясняет, почему эти гамма-всплески могут возникать из областей, которые выглядят оптически тусклыми и молчаливыми в радиодиапазоне.