После десятилетий научных поисков исследователи, наконец, приблизились к разгадке одного из главных атмосферных явлений — возникновения молнии. Международная группа ученых под руководством профессора Виктора Паско из Университета штата Пенсильвания впервые представила полную и количественно подтвержденную модель того, как именно зарождается молния внутри грозовых облаков, пишет ScienceDaily.
В исследовании, опубликованном в Journal of Geophysical Research, ученые доказали, что именно сильные электрические поля в грозовых облаках ускоряют электроны, которые сталкиваются с молекулами кислорода и азота, создавая рентгеновское излучение и запускают каскад электронов и высокоэнергетических фотонов. Это лавинообразное явление и становится «спусковым крючком» для зарождения молнии.
«Наши результаты впервые дают точное количественное объяснение того, как в природе запускается молния. Мы связали между собой рентгеновское излучение, электрические поля и физику электронных лавин», — отметил Паско.
Ключом к разгадке стало явление, известное как террестриальный гамма-всплеск — это короткие вспышки рентгеновских лучей и радиоизлучения, происходящие в атмосфере Земли. Исследователи с помощью математического моделирования смогли воспроизвести условия, при которых такие всплески наблюдаются, и подтвердили, что они тесно связаны с процессами, запускающими молнию. Согласно модели, рентгеновские лучи образуются при столкновении ускоренных электронов с воздушными молекулами, а дальше начинается цепная реакция, создающая условия для пробоя — и разряда молнии.
Один из авторов, аспирант Заид Первез, использовал модель, чтобы сопоставить результаты с данными, полученными с помощью спутников, наземных датчиков и даже разведывательных самолетов. Это позволило объяснить не только появление рентгеновских вспышек, но и разнообразие радиоимпульсов, фиксируемых в атмосфере незадолго до молнии.
Модель, разработанная Паско и его коллегами в 2023 году, получила название Photoelectric Feedback Discharge. Она имитирует физические процессы, при которых происходит «электрический пробой» в облаке — начальная стадия молнии. Исследователи открыто публикуют математические уравнения модели, чтобы другие ученые могли использовать ее в своей работе.
Помимо объяснения самой природы молнии, команда предложила объяснение тому, почему некоторые гамма-всплески могут возникать без сопровождающего их яркого света и радиошума. По их словам, в некоторых случаях электроны ускоряются и запускают цепную реакцию в настолько компактных и слабых участках облака, что визуально они остаются незаметными — но рентгеновское излучение все равно присутствует.