Разгадана тайна рождения молний: к разрядам причастны «космические» частицы

Молнии — одно из самых впечатляющих и загадочных явлений природы. Хотя ученые давно знают, как происходит разряд, точный механизм его зарождения внутри грозовых облаков оставался неясным. Группа исследователей во главе с Виктором Пасько из Пенсильванского университета в США раскрыла этот процесс.

В своей работе они объяснили, как сильные электрические поля в грозовых облаках ускоряют электроны до околосветовых скоростей. Эти частицы сталкиваются с молекулами азота и кислорода, производя рентгеновские лучи и запуская потоки электронов и фотонов высокой энергии. Именно этот процесс и приводит к рождению молнии. «Наши результаты дают первое точное количественное объяснение того, как в природе зарождается молния. Это связывает точки соприкосновения между рентгеновскими лучами, электрическими полями и физикой электронных лавин», — сказал Виктор Пасько.

Команда использовала математическое моделирование, чтобы подтвердить данные наблюдений за фотоэлектрическими явлениями в атмосфере. Оказалось, что космические лучи, проникающие в атмосферу из глубин Вселенной, создают первичные электроны, которых затем становится больше в электрических полях грозовых облаков. Это порождает короткие вспышки гамма-излучения — так называемые земные гамма-всплески.

Затем данные модели сравнили с реальными наблюдениями, полученными с помощью наземных датчиков, спутников и высотных самолетов-разведчиков. Ученые подтвердили, что предложенный механизм объясняет радиосигналы, предшествующие ударам молний.

Кроме того, исследователи выяснили, почему земные гамма-всплески иногда возникают без видимых вспышек света и радиоволн. Оказалось, что рентгеновские лучи могут генерировать новые электроны через фотоэлектрический эффект, усиливая лавину частиц и сопровождаясь очень слабым оптическим и радиоизлучением. Это объясняет, почему такие вспышки могут происходить в «тусклых» и практически незаметных для датчиков местах.

Модель, разработанная исследователями, выложена в открытый доступ и ее могут использовать другие ученые для своих экспериментов. Уравнения, лежащие в ее основе, также опубликованы в статье. Открытие не только раскрывает тайну молний, но и помогает лучше понимать процессы в атмосфере, что может улучшить прогнозирование гроз и повысить безопасность авиации.

Ранее в этом месяце астронавт NASA Николь Айерс запечатлела с борта МКС гигантский спрайт — редкую разновидность молний над грозовыми облаками. Несмотря на яркость, их сложно увидеть с Земли, поэтому такие кадры — настоящая редкость.