Учёные раскрыли механизм зарождения молний в грозовых облаках

На этом художественном изображении высотный самолёт-разведчик NASA несёт оборудование для регистрации фиолетовых наземных гамма-вспышек в грозовых облаках. Автор: NASA/ALOFT team.

Хотя учёные давно понимают, как происходит удар молнии, точные атмосферные процессы, запускающие её внутри грозовых облаков, оставались загадкой. Теперь эта тайна, возможно, раскрыта благодаря исследованию команды под руководством Виктора Паско, профессора электротехники из Университета Пенсильвании.

В исследовании, опубликованном 28 июля в Journal of Geophysical Research, авторы описали, как сильные электрические поля в грозовых облаках ускоряют электроны. Эти частицы сталкиваются с молекулами азота и кислорода, производя рентгеновские лучи и запуская каскад дополнительных электронов и высокоэнергетических фотонов — идеальные условия для рождения молний.

«Наши результаты впервые дают точное количественное объяснение тому, как молнии зарождаются в природе», — заявил Паско. «Это связывает воедино рентгеновские лучи, электрические поля и физику электронных лавин».

Команда использовала математическое моделирование, чтобы подтвердить полевые наблюдения фотоэлектрических явлений в атмосфере Земли. Релятивистские электроны, порождаемые космическими лучами из космоса, умножаются в электрических полях грозы и испускают кратковременные всплески высокоэнергетических фотонов. Это явление, известное как наземная гамма-вспышка, включает невидимые естественные всплески рентгеновских лучей и сопутствующие радиоволны.

Аспирант Заид Первез применил модель для сопоставления полевых наблюдений (собранных другими группами с помощью наземных датчиков, спутников и высотных самолётов-разведчиков) с условиями в смоделированных грозовых облаках.

«Мы объяснили, как происходят фотоэлектрические события, какие условия необходимы в грозовых облаках для запуска каскада электронов и что вызывает разнообразие радиосигналов, которые мы наблюдаем перед ударом молнии», — сказал Первез.

Модель «Фотоэлектрический обратный разряд», опубликованная Паско и его коллегами в 2023 году, имитирует физические условия, в которых вероятно зарождение молнии. Уравнения, использованные для создания модели, доступны в статье для других исследователей.

Помимо раскрытия механизма зарождения молний, учёные объяснили, почему наземные гамма-вспышки часто возникают без видимых вспышек света и радиоволн — привычных признаков молний во время грозы.

«В нашей модели высокоэнергетические рентгеновские лучи, создаваемые релятивистскими электронными лавинами, генерируют новые электроны за счёт фотоэффекта в воздухе, быстро усиливая эти лавины», — пояснил Паско.

В исследовании также участвовали учёные из Университета Орлеана (Франция), Политехнической школы (Франция), Центра космических полётов NASA им. Годдарда и других учреждений.

Дополнительная информация: Photoelectric Effect in Air Explains Lightning Initiation and Terrestrial Gamma Ray Flashes, Journal of Geophysical Research (2025). DOI: 10.1029/2025JD043897

Источник: Университет Пенсильвании