Исследователи впервые подробно и количественно описали физику процессов, которые происходят в облаках за мгновения до молнии. Модель объясняет и загадочные «тёмные молнии» — всплески рентгеновского излучения без света и радиосигнала.
Впервые за десятилетия учёным удалось смоделировать весь процесс, который предшествует появлению молнии — от начальных фотоэлектрических явлений до формирования ударного разряда. Результаты опубликовала группа физиков из Университета штата Пенсильвания.
«Наши данные впервые позволяют точно и количественно описать, как в природе возникает молния, — отметил профессор Виктор Паско, соавтор исследования. — Мы установили связь между рентгеновским излучением, электрическими полями и процессами электронных лавин».
Оригинальная цитата: “Our results provide the first quantitative explanation of how lightning occurs in nature. This allows us to link X-rays, electric fields, and the physics of electron avalanches.”
Речь идёт о процессе, запускаемом внутри грозовых облаков. Сильные электрические поля ускоряют электроны, которые сталкиваются с молекулами воздуха — азота, кислорода и других компонентов. Эти столкновения вызывают рентгеновское излучение, а оно, в свою очередь, запускает новую волну электронов и фотонов. Так возникает лавина частиц, которая завершает накопление зарядов и приводит к пробою — вспышке молнии.
Уже давно известно, что в грозовом облаке происходит разделение зарядов: положительно заряженные протоны поднимаются вверх, а электроны опускаются вниз. Нижняя часть облака приобретает отрицательный заряд и притягивает положительные заряды на поверхности Земли. Как только напряжённость достигает критического значения, между облаком и землёй пробивается канал — возникает молния.
Новое исследование не просто подтверждает эту схему, а добавляет к ней количественные детали — в том числе объяснение рентгеновских всплесков, которые возникают до разряда. Физики детально смоделировали каскад реакций, идущих в последние миллисекунды перед молнией, и сравнили результаты с данными наблюдений и моделями других типов грозовой активности, включая так называемые компактные межоблачные разряды.
Отдельный интерес представляет объяснение природы «тёмных молний» — гамма-всплесков, которые не сопровождаются световой вспышкой и не оставляют следов в радиодиапазоне.
«В нашей модели релятивистские электронные лавины, возникающие за счёт фотоэффекта в воздухе, производят новые первичные электроны и усиливаются, — поясняют авторы. — Такая лавина может развиваться очень локально, но при этом генерировать мощное рентгеновское излучение».
Оригинальная цитата: “In our modeling, high-energy X-rays generated by relativistic electron avalanches due to the photoelectric effect in air produce new primary electrons, which lead to the rapid amplification of these avalanches.”
По словам учёных, такие всплески часто происходят в участках облаков, которые выглядят визуально тускло и не дают радиосигналов. Это и объясняет, почему «тёмные молнии» остаются незаметными при обычных наблюдениях.
