Разгадан секрет рождения молний: виновата цепная реакция

Электрическая природа молний давно ни для кого не секрет. Однако ученые долго не могли понять механизм рождения молнии на уровне атомов и элементарных частиц. Новое исследование проливает свет на природу небесных разрядов.

Дмитрий ПавловАвтор Hi-Tech Mail

Хотя ученые давно в целом поняли, как возникает молния, детали этого высокоэнергетического атмосферного явления в грозовых облаках оставались загадкой. Эта загадка, возможно, теперь разрешена благодаря группе исследователей Школы электротехники и компьютерных наук Университета штата Пенсильвания, которые обнаружили мощную цепную реакцию, вызывающую молнию. Помимо ученых из Пенсильвании в работе принимали участие специалисты NASA и исследователи из Дании, Франции и Чехии.

В исследовании, опубликованном 28 июля в журнале Geophysical Research, авторы рассказали, как им удалось определить, что сильные электрические поля в грозовых облаках ускоряют электроны, которые сталкиваются с молекулами азота и кислорода. Эти столкновения генерируют рентгеновские лучи и инициируют поток дополнительных электронов и высокоэнергетических фотонов. По словам ученых это и есть «идеальный шторм», из которого рождаются молнии.

Полученные результаты дают первое точное количественное объяснение того, как возникают молнии в природе на уровне элементарных частиц. Оно связывает воедино рентгеновское излучение, электрические поля и физику электронных лавин.

Группа использовала математическое моделирование для подтверждения и объяснения полевых наблюдений фотоэлектрических явлений в атмосфере Земли, когда релятивистские электроны, зарождающиеся под воздействием космических лучей, «размножаются» в грозовых электрических полях и испускают короткие высокоэнергетические фотонные вспышки. Это явление, известное как «земная гамма-вспышка» (terrestrial gamma-ray flash), включает в себя невидимые естественные вспышки рентгеновского излучения и сопутствующее радиоизлучение.

Ученые сопоставили полевые наблюдений, собранных другими исследовательскими группами с использованием наземных датчиков, спутников и высотных самолетов-разведчиков, с условиями в моделируемых грозовых облаках.

Мы объяснили, как происходят фотоэлектрические явления, какие условия должны быть в грозовых облаках, чтобы инициировать каскад электронов, и что является причиной широкого спектра радиосигналов, которые мы наблюдаем в облаках еще до удара молнии. Чтобы подтвердить наше объяснение возникновения молнии, я сравнил наши результаты с предыдущим моделированием, наблюдениями и моей собственной работой по типу молний, называемых компактными межоблачными разрядами, которые обычно возникают в небольших локализованных областях в грозовых облаках.Заид Первезаспирант-исследователь.

Модель «Фотоэлектрический разряд с обратной связью» , опубликованная профессором Виктором Пасько и его коллегами в 2023 году, имитирует физические условия, в которых вероятно возникновение молнии. Уравнения, использованные для создания модели, доступны в статье, благодаря чему другие исследователи могут использовать их в своих работах.

Помимо раскрытия механизма возникновения молний, исследователи объяснили, почему вспышки земного гамма-излучения часто возникают без вспышек света и радиовсплесков, которые являются типичными признаками молний во время штормовой погоды.

Высокоэнергетические рентгеновские лучи, создаваемые релятивистскими электронными лавинами, генерируют новые «затравочные» электроны, возбуждаемые фотоэлектрическим эффектом в воздухе, что, извините за тавтологию, лавинообразно усиливает эти лавины.Виктор Паськостарший автор исследования, профессор Школы электротехники и компьютерных наук Университета штата Пенсильвания.

Помимо того, что эта неконтролируемая цепная реакция происходит очень компактно, ее интенсивность может сильно варьироваться, что часто приводит к обнаруживаемым уровням рентгеновского излучения при очень слабом оптическом и радиоизлучении. Это объясняет, почему вспышки гамма-излучения могут возникать из областей, которые кажутся оптически тусклыми и «соблюдающими радиомолчание».

Недавно мы рассказали об удивительном грозовом явлении под названием спрайт.

Поделиться