Энергия, необходимая для возникновения гроз, может поступать от лавин электронов, вызванных космическими лучами из глубин Вселенной. К такому выводу пришли авторы нового исследования.
Учёные давно установили, что молния — это электрический разряд между грозовыми облаками и поверхностью Земли. Однако механизм формирования в облаках сверхсильного электрического поля, способного породить разряд, оставался загадкой на протяжении столетий.
Новая работа, опубликованная 28 июля в Journal of Geophysical Research: Atmospheres, использует компьютерное моделирование. Согласно исследованию, молнии возникают в результате цепной реакции, стартующей в космическом пространстве.
«Наша работа впервые даёт точное количественное объяснение инициации молний в природе, — заявил ведущий автор исследования Виктор Паско, профессор электротехники Университета Пенсильвании. — Мы связали воедино рентгеновские лучи, электрические поля и физику электронных лавин».
Электрическую природу молний в 1752 году подтвердил Бенджамин Франклин в своём знаменитом, но часто искажаемом, эксперименте с воздушным змеем. Однако измерения с самолётов и метеозондов показали, что электрическое поле в грозовых облаках в 10 раз слабее, чем требуется для пробоя атмосферы.
Существует две основные теории возникновения молний. Первая — статическое электричество: трение ледяных частиц в облаках генерирует электроны, которые ионизируют атмосферу. Вторая предполагает, что ионизацию запускают космические лучи — высокоэнергетические частицы (в основном протоны) от сверхновых, пульсаров и других источников. Сталкиваясь с атмосферой, они создают цепную реакцию, ведущую к пробою.
Учёные собрали данные спутников, наземных датчиков и разведывательных самолётов, сопоставив их с математической моделью грозового облака. Результаты подтвердили теорию космических лучей: протоны ускоряются в электрическом поле, сталкиваются с молекулами азота и кислорода, порождая лавину электронов и высокоэнергетических фотонов — «затравку» для молний.
Модель также объясняет вспышки гамма- и рентгеновского излучения перед разрядами. «Релитивистские электронные лавины генерируют рентгеновские лучи, которые, благодаря фотоэффекту, запускают новые лавины. Это происходит локально, с переменной интенсивностью, что объясняет, почему гамма-вспышки возникают в визуально тёмных областях», — пояснил Паско.
Перспективы открытия: Данное исследование не только решает многовековую загадку, но и открывает путь к прогнозированию молний. Учёт влияния космических лучей может повысить точность метеомоделей и улучшить системы предупреждения. Кроме того, понимание механизма ионизации поможет в разработке новых методов защиты от ударов молний, что особенно актуально для авиации и энергосистем.
