Не прошло и 300 лет, как учёные создали наиболее полную физическую модель процессов, происходящих непосредственно перед грозовым разрядом. Современная наука понимает, как и почему возникают молнии в облаках. Но целый ряд нюансов ускользал от исследователей, включая понимание «тёмных молний» — мощных рентгеновских всплесков в небе без вспышек и радиоимпульсов. Новое исследование наиболее полно объяснило, что же там происходит.
«Наши результаты дают первое точное количественное объяснение того, как в природе возникает молния, — сказал Виктор Паско (Victor Pasko), профессор электротехники факультета электротехники и компьютерных наук Пенсильванского университета. — Это позволяет установить связь между рентгеновскими лучами, электрическими полями и физикой электронных лавин».
По словам учёных, перед грозовым разрядом в облаках происходит мощная цепная реакция. Внутри грозовых облаков сильные электрические поля ускоряют электроны, которые сталкиваются с молекулами азота, кислорода и другими. В результате реакций возникает рентгеновское излучение, которое, в свою очередь, порождает ещё больше электронов и высокоэнергетических фотонов. И только после этого возникают молнии.
Изучающие атмосферу учёные знают, как в облаках взаимодействуют заряженные частицы. Протоны поднимаются, а электроны в облаке опускаются ближе к земле — в нижнюю часть облаков. Накапливаемый в нижней части облака отрицательный заряд своим полем выталкивает электроны на поверхности земли вглубь её. Тем самым поверхность планеты под облаком приобретает положительный заряд. Накопление зарядов происходит до установления канала пробоя между облаком и землёй, и мы наблюдаем молнию.
Новая работа позволила в деталях и количественно описать последние секунды и даже доли секунд перед разрядом.
«Мы объяснили, как происходят фотоэлектрические явления, какие условия должны быть в грозовых облаках, чтобы запустить каскад электронов, и что вызывает широкий спектр радиосигналов, которые мы наблюдаем в облаках перед ударом молнии», — пояснили исследователи. — Чтобы подтвердить наше объяснение процесса возникновения молнии, мы сравнили наши результаты с предыдущими моделями, результатами наблюдений и своей собственной работой о типе молний, называемых компактными межоблачными разрядами, которые обычно возникают в небольших локальных областях грозовых облаков».
Одним из следствий проделанной работы стало разъяснение физики процесса «тёмных молний», когда в небе возникает только гамма-всплеск без видимого разряда и без радиоимпульса в эфире.
«В нашем моделировании высокоэнергетическое рентгеновское излучение, возникающее в результате релятивистских электронных лавин за счёт фотоэлектрического эффекта в воздухе, генерирует новые первичные электроны, что приводит к быстрому усилению этих лавин», — пояснили учёные.
«Помимо того, что эта неуправляемая цепная реакция происходит в очень компактных объёмах, её сила может сильно варьироваться, что часто приводит к обнаружению рентгеновского излучения, сопровождающегося очень слабым оптическим и радиоизлучением. Это объясняет, почему гамма-всплески могут возникать в областях, которые кажутся оптически тусклыми и радиомолчаливыми».