Рождение молнии: объяснены атмосферные процессы, лежащие в основе ударов молний
Хотя науке давно известен механизм удара молнии, точные атмосферные события, которые запускают её внутри грозовых облаков, оставались загадкой. Её, возможно, удалось решить группе исследователей под руководством Виктора Паско, профессора электротехники в Школе электротехники и компьютерных наук Пенсильванского университета. Учёные раскрыли мощную цепную реакцию, инициирующую молнию.
В исследовании, опубликованном 28 июля в Journal of Geophysical Research, авторы описали, как сильные электрические поля в грозовых облаках ускоряют электроны. Те сталкиваются с молекулами азота и кислорода, производя рентгеновские лучи и запуская лавину дополнительных электронов и высокоэнергетических фотонов — идеальные условия для рождения молнии.
Находки дают первое точное количественное объяснение того, как молния зарождается в природе, связывая воедино рентгеновские лучи, электрические поля и физику электронных лавин. Команда использовала математическое моделирование, чтобы подтвердить и объяснить натурные наблюдения фотоэлектрических явлений в атмосфере Земли. В них релятивистские электроны, порождаемые космическими лучами, умножаются в электрических полях грозы и испускают краткие всплески высокоэнергетических фотонов. Это явление известно как наземная гамма-вспышка и включает невидимые естественные всплески рентгеновского излучения и сопутствующие радиоэмиссии.
Моделирование условий, воспроизводящих полевые наблюдения, позволило предложить полное объяснение для рентгеновского и радиоизлучения внутри грозовых облаков. Было продемонстрировано, как ускоренные в облаках электроны производят рентгеновские лучи при столкновении с молекулами воздуха и создают лавину электронов, генерирующую высокоэнергетические фотоны, которые и инициируют молнию.
Исследователи также объяснили, почему наземные гамма-вспышки часто производятся без оптических вспышек и радиовсплесков — привычных признаков молнии. В моделировании рентгеновские лучи от релятивистских электронных лавин генерируют новые "затравочные" электроны за счёт фотоэффекта в воздухе, быстро усиливая эти лавины. Эта цепная реакция может происходить с высокой вариабельностью силы, часто приводя к детектируемым уровням рентгеновского излучения при очень слабых оптических и радиоэмиссиях. Это объясняет, почему гамма-вспышки могут исходить из регионов, которые кажутся оптически тёмными и "радиотихими".