Хотя учёные давно понимают, как возникают молнии, точные атмосферные события, которые запускают этот процесс в грозовых облаках, оставались загадкой. Возможно, эта тайна теперь раскрыта благодаря группе исследователей под руководством Виктора Паско, профессора электротехники в Школе электротехники и компьютерных наук Пенсильванского государственного университета. Они обнаружили мощную цепную реакцию, которая вызывает молнии.
В исследовании, опубликованном 28 июля в Journal of Geophysical Research, авторы описали, как они определили сильные электрические поля в грозовых облаках, ускоряющие электроны, которые сталкиваются с молекулами, такими как азот и кислород, производя рентгеновские лучи и инициируя поток дополнительных электронов и фотонов высокой энергии — идеальный шторм, из которого рождаются молнии.
«Наши результаты дают первое точное, количественное объяснение того, как в природе инициируется молния», — сказал Паско. «Это связывает воедино рентгеновские лучи, электрические поля и физику лавин электронов».
Команда использовала математическое моделирование, чтобы подтвердить и объяснить полевые наблюдения фотоэлектрических явлений в атмосфере Земли — когда релятивистские электроны, которые зарождаются под воздействием космических лучей, проникающих в атмосферу из космоса, размножаются в электрических полях грозы и излучают короткие импульсы фотонов высокой энергии. Это явление, известное как наземная гамма-вспышка, включает в себя невидимые, естественно возникающие всплески рентгеновских лучей и сопровождающие их радиоизлучения.
«Моделируя условия, которые повторяли условия, наблюдаемые в полевых условиях, мы предложили полное объяснение рентгеновских лучей и радиоизлучения, присутствующих в грозовых облаках», — сказал Паско.
«Мы продемонстрировали, как электроны, ускоренные сильными электрическими полями в грозовых облаках, производят рентгеновские лучи при столкновении с молекулами воздуха, такими как азот и кислород, и создают лавину электронов, которые производят фотоны высокой энергии, инициирующие молнию», — сказал Заид Первез, докторант в области электротехники.
Первез использовал модель для сопоставления полевых наблюдений, собранных другими исследовательскими группами с помощью наземных датчиков, спутников и высотных разведывательных самолётов, с условиями в моделируемых грозовых облаках.
«Мы объяснили, как происходят фотоэлектрические события, какие условия должны быть в грозовых облаках, чтобы инициировать каскад электронов, и что вызывает большое разнообразие радиосигналов, которые мы наблюдаем в облаках до удара молнии», — сказал Первез.
Модель, опубликованная Паско и его соавторами в 2023 году, под названием Photoelectric Feedback Discharge, имитирует физические условия, в которых, вероятно, возникает молния. Уравнения, используемые для создания модели, доступны в статье для других исследователей, чтобы использовать их в своей работе.
Помимо объяснения возникновения молний, исследователи объяснили, почему наземные гамма-вспышки часто возникают без вспышек света и радиоволн, которые являются знакомыми признаками молнии во время штормовой погоды.
«В нашем моделировании высокоэнергетические рентгеновские лучи, производимые лавинами релятивистских электронов, генерируют новые начальные электроны, управляемые фотоэлектрическим эффектом в воздухе, быстро усиливая эти лавины», — сказал Паско.
«В дополнение к тому, что они производятся в очень компактных объёмах, эта безудержная цепная реакция может происходить с сильно изменяющейся силой, часто приводя к обнаруживаемым уровням рентгеновских лучей, в то время как сопровождаясь очень слабым оптическим и радиоизлучением. Это объясняет, почему эти гамма-вспышки могут возникать из регионов-источников, которые кажутся оптически тусклыми и радиомолчащими».
Соавторами, помимо Паско и Первеза, являются Себастьен Селестин, профессор физики в Университете Орлеана, Франция; Анн Бурдон, директор исследований в Политехнической школе, Франция; Реза Джанализаде, учёный в области ионосферы в Центре космических полётов имени Годдарда НАСА и бывший научный сотрудник Паско в Пенсильванском государственном университете; Ярослав Янски, доцент кафедры электротехники и связи в Технологическом университете Брно, Чехия; и Пьер Гурбин, научный сотрудник по астрофизике и физике атмосферы в Датском техническом университете.
Предоставлено Пенсильванским государственным университетом.