Молния — одно из самых завораживающих и опасных природных явлений, но механизм ее возникновения долгое время оставался загадкой. Теперь ученые из Университета штата Пенсильвания сделали важный шаг к разгадке этой тайны. В новом исследовании команда под руководством профессора электротехники Виктора Пасько описала цепную реакцию, которая приводит к образованию молнии.
Согласно работе, мощные электрические поля внутри грозовых облаков ускоряют свободные электроны, заставляя их сталкиваться с молекулами азота и кислорода. Эти столкновения производят рентгеновское излучение, которое, в свою очередь, порождает новые электроны и высокоэнергетические фотоны. Этот каскад частиц создает идеальные условия для возникновения молнии.
Наши результаты впервые дают точное количественное объяснение того, как молния возникает в природе. Мы связали воедино рентгеновское излучение, электрические поля и физику электронных лавин.
Для подтверждения своей теории ученые использовали математическое моделирование, которое воспроизводит условия внутри грозовых облаков. Модель, названная «Фотоэлектрический разряд с обратной связью», объясняет, как релятивистские электроны, попадающие в атмосферу с космическими лучами, размножаются в электрических полях и порождают гамма-вспышки. Эти вспышки, известные как земные гамма-всплески, сопровождаются рентгеновским и радиоизлучением, но часто остаются невидимыми для человеческого глаза.
Заид Первез, докторант и соавтор исследования, сравнил данные моделирования с реальными наблюдениями, полученными с помощью наземных датчиков, спутников и высотных самолетов.Одним из ключевых открытий стало объяснение того, почему земные гамма-вспышки иногда происходят без видимых вспышек света или радиоволн. Как показало моделирование, рентгеновское излучение может генерировать новые электроны, усиливая лавину частиц, но при этом не всегда сопровождаться заметными оптическими или радиосигналами.
Исследование также пролило свет на природу компактных межоблачных разрядов — особого типа молний, возникающих в ограниченных областях грозовых облаков. Эти разряды, как оказалось, связаны с локальными электронными лавинами, которые не всегда перерастают в полноценные молнии.
Ранее ученые рассказали, как опознать шаровую молнию и вести себя, чтобы не лишиться жизни.
