Учёные раскрыли механизм возникновения молний

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

Хотя учёные давно понимают, как происходят удары молний, точные атмосферные процессы, запускающие их внутри грозовых облаков, оставались загадкой. Теперь эта тайна, возможно, раскрыта благодаря исследованию команды учёных под руководством Виктора Паско, профессора электротехники в Школе электротехники и компьютерных наук Пенсильванского университета.

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

«Наши результаты дают первое точное количественное объяснение того, как молнии возникают в природе», — сказал Паско. — «Это связывает рентгеновские лучи, электрические поля и физику электронных лавин в единую картину».

Команда использовала математическое моделирование, чтобы подтвердить и объяснить полевые наблюдения фотоэлектрических явлений в атмосфере Земли. Релятивистские электроны, попадающие в атмосферу с космическими лучами, размножаются в электрических полях грозы и испускают кратковременные всплески высокоэнергетических фотонов. Это явление, известное как наземные гамма-вспышки, включает невидимые естественные всплески рентгеновских лучей и сопутствующие радиоволны.

«Смоделировав условия, которые соответствуют полевым наблюдениям, мы дали полное объяснение рентгеновским лучам и радиоволнам в грозовых облаках», — пояснил Паско. — «Мы показали, как электроны, ускоренные сильными электрическими полями, производят рентгеновские лучи при столкновении с молекулами воздуха, создавая лавину электронов и высокоэнергетических фотонов, которые инициируют молнии».

Зайд Первез, аспирант по электротехнике, использовал модель для сопоставления полевых данных (собранных другими исследовательскими 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 облаках для запуска каскада электронов и что вызывает разнообразие радиосигналов перед ударом молнии», — сказал Первез. — «Для подтверждения нашей теории я сравнил результаты с предыдущими моделями, наблюдениями и своими исследованиями компактных межоблачных разрядов».

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

Помимо объяснения механизма молний, учёные раскрыли, почему наземные гамма-вспышки часто происходят без видимых вспышек света и радиосигналов, характерных для молний.

«В нашей модели рентгеновские лучи высокой энергии, создаваемые релятивистскими электронными лавинами, генерируют новые электроны за счёт фотоэффекта в воздухе, быстро усиливая эти лавины», — отметил Паско. — «Этот процесс может происходить в очень компактных областях с переменной интенсивностью, что объясняет, почему гамма-вспышки могут исходить из областей, которые кажутся оптически тёмными и радио-тихими».

В исследовании также участвовали: Себастьен Селестен (Университет Орлеана, Франция), Анн Бурдон (Политехническая школа, Франция), Реза Джанализаде (NASA), Ярослав Янский (Брненский технологический университет, Чехия) и Пьер Гурбен (Технический университет Дании).

Исследование поддержали Национальный научный фонд США, CNES, Институт Франции и Министерство обороны Чехии.