Каждую молнию запускает невидимый гость из космоса: учёные объяснили главный механизм небесного огня

Молния — одно из самых величественных и пугающих явлений природы. Тысячелетиями она вдохновляла мифы и вызывала трепет. В последние столетия наука довольно хорошо разобралась в общей физике разряда: накопление статического электричества в облаках, разделение зарядов и, наконец, гигантская искра, пробивающая воздух. Но один вопрос оставался без ответа, словно досадное белое пятно на карте знаний: что именно служит тем самым «спусковым крючком»? Какое событие в хаосе грозового облака даёт первый толчок, превращая потенциальную энергию в ослепительный разряд?

Недавно группа физиков под руководством Виктора Пасько из Университета штата Пенсильвания, кажется, нашла ответ. Их работа — это не просто очередное уточнение, а фундаментальное объяснение самого первого, неуловимого мгновения в жизни молнии.

Почему небо не искрит постоянно? Загадка «первого электрона»

Чтобы понять важность этого открытия, нужно осознать, в чём заключалась главная проблема. Грозовое облако — это, по сути, гигантский конденсатор. В нём существуют огромные электрические поля, но, как ни странно, их силы самой по себе обычно недостаточно, чтобы просто взять и «оторвать» электроны от молекул воздуха (в основном азота и кислорода) и запустить разряд. Воздух — отличный изолятор. Чтобы пробить его, нужен какой-то толчок, некий «затравочный» процесс, который создаст условия для пробоя.

Учёные долго предполагали, что для этого необходимы некие локальные усиления поля, возможно, вокруг ледяных кристаллов или капель воды. Но ни одна из этих теорий не могла полностью и количественно объяснить, как из этой микроскопической неоднородности рождается лавина, способная породить разряд длиной в километры. Не хватало ключевого звена.

Космический гость и лавина в облаках

И вот здесь исследование команды Пасько предлагает изящное и полное объяснение. Всё начинается не в самом облаке, а далеко за пределами Земли.

Шаг 1: Космический «посев"Виновником торжества, как ни странно, выступает космический луч — высокоэнергетическая частица, прилетевшая из глубин космоса. Врезаясь в верхние слои атмосферы, она порождает каскад вторичных частиц, среди которых есть и электроны с релятивистскими энергиями, то есть разогнанные почти до скорости света. Эти электроны, словно случайные семена, заносятся в грозовые облака.

Шаг 2: Ускорение и первое столкновениеПопав в сильное электрическое поле грозового облака, такой «космический» электрон получает колоссальное ускорение. Он несётся сквозь облако и неизбежно врезается в молекулу воздуха. Этот удар настолько силён, что порождает короткую вспышку рентгеновского излучения и выбивает из молекулы новые электроны.

Шаг 3: Цепная реакцияА дальше начинается самое интересное. Процесс становится самоподдерживающимся.

• Новые выбитые электроны тоже ускоряются полем и, в свою очередь, врезаются в другие молекулы, выбивая ещё больше электронов.
• Одновременно с этим рентгеновские лучи (которые, по сути, являются высокоэнергетическими фотонами) вступают в игру. Благодаря фотоэлектрическому эффекту, они тоже выбивают электроны из молекул воздуха.

Возникает то, что учёные называют разрядом с фотоэлектрической обратной связью. Это настоящая цепная реакция, похожая на снежную лавину: один электрон порождает несколько, те — ещё больше, и за доли секунды в крошечном объёме облака образуется плотный сгусток высокоэнергетических частиц. Это ещё не сама молния, но это уже идеальный, ионизированный «коридор», по которому вот-вот устремится основной разряд.

«Наши выводы связывают воедино рентгеновские лучи, электрические поля и физику электронных лавин», — объясняет Виктор Пасько. По сути, его команда описала тот самый неуловимый механизм, который превращает облако из простого носителя заряда в активный генератор молний.

Невидимые вспышки: разгадка ещё одной тайны

Новая модель помогла объяснить и другое загадочное явление — так называемые земные гамма-вспышки (TGF). Это мощные, но очень короткие всплески гамма- и рентгеновского излучения, исходящие из грозовых облаков, которые фиксируют спутники. Странность заключалась в том, что многие из этих вспышек, казалось, не сопровождались видимой молнией или радиосигналами. Они были «оптически тусклыми и радиомолчащими».

Модель Пасько и его коллег показала, почему так происходит. Описанная выше цепная реакция может иметь разную интенсивность. Иногда она достаточно сильна, чтобы произвести регистрируемый рентгеновский или гамма-всплеск, но при этом затухает, так и не набрав мощи для формирования полноценного канала молнии. Это словно завести двигатель, который громко взревел, но так и не сдвинул машину с места. Теперь мы понимаем, что эти «тихие» вспышки — это не какой-то отдельный феномен, а, по сути, «неудавшиеся» молнии, застывшие на самой ранней стадии своего рождения.

От уравнений к реальности

Чтобы прийти к таким выводам, учёные не отправляли зонды в самое пекло грозы. Их главным инструментом стало математическое моделирование. Аспирант Заид Первез использовал сложную систему уравнений, описывающую все эти процессы, чтобы воссоздать условия в грозовом облаке на компьютере.

Затем результаты симуляции сравнили с огромным массивом реальных данных, собранных за многие годы наземными датчиками, спутниками и даже высотными самолётами-разведчиками. И всё сошлось. Модель не только точно предсказала возникновение рентгеновских лучей и каскада электронов, но и объяснила всё разнообразие радиосигналов, которые фиксируются в облаках прямо перед ударом молнии.

Это открытие — прекрасный пример того, как фундаментальная наука, оперирующая уравнениями и моделями, помогает нам понять мир вокруг. В следующий раз, увидев в небе вспышку молнии, вспомните, что за секунду до этого грандиозного зрелища в толще облаков разыгралась невидимая драма: одинокий электрон, рождённый далёкой звездой, запустил лавину, которая и зажгла небо.