Впервые за три столетия научных наблюдений исследователи сумели создать точную математическую модель, описывающую весь процесс возникновения молнии — от первых этапов зарядки облаков до грозового разряда. Результаты исследования опубликованы группой физиков из Пенсильванского университета под руководством профессора Виктора Паско.

Этот научный прорыв позволяет глубже понять не только классические грозовые молнии, но и редкие атмосферные явления, такие как «тёмные молнии» — всплески рентгеновского и гамма-излучения в атмосфере, которые не сопровождаются видимым светом или радиоимпульсами.

Как возникает молния: от электронных лавин до электрического пробоя

По новой модели, возникновение молнии — это результат сложной цепной реакции внутри грозового облака. Всё начинается с образования сильных электрических полей, способных ускорять электроны до высоких скоростей. Эти электроны сталкиваются с молекулами воздуха — азота и кислорода — и вызывают рентгеновское излучение.

Полученное рентгеновское излучение, в свою очередь, приводит к образованию новых высокоэнергетических электронов и фотонов, усиливая лавинообразный процесс. Учёные установили, что именно эта неуправляемая каскадная реакция запускает условия, необходимые для образования канала пробоя между облаком и землёй — то есть самой молнии.

Физика «тёмных молний»: что происходит в небе без вспышек

Ранее загадочные тёмные молнии озадачивали атмосферных учёных. Это явление проявляется как гамма-всплеск в верхних слоях атмосферы, но при этом не сопровождается ни световой вспышкой, ни радиосигналом. Новая модель впервые даёт физическое объяснение этому эффекту.

«В результате наших вычислений мы установили, что релятивистские лавины электронов, вызванные фотоэлектрическим эффектом, могут развиваться в компактных областях облака, где отсутствуют условия для полноценного пробоя и визуального разряда», — пояснили авторы исследования.

Именно эти «невидимые» лавины могут производить рентгеновское и гамма-излучение, оставаясь при этом оптически и радиофизически незаметными. По сути, речь идёт о внутриоблачных мини-разрядах, которые не прорываются наружу, но при этом высвобождают колоссальную энергию.

Почему это открытие важно: новое понимание природы молний

До сих пор существовавшие модели не могли точно описать последние миллисекунды перед разрядом — время, когда разворачивается наиболее важная фаза молниеносного явления. Новая теория позволяет не только в деталях рассчитать этот процесс, но и связать его с наблюдаемыми радиосигналами, гамма- и рентгеновским излучением, а также с результатами метеорологических наблюдений.

«Мы впервые дали количественное описание механизма, запускающего молнию в природе, — заявил Виктор Паско. — Это связывает воедино физику электронных лавин, рентгеновские импульсы и развитие грозовых полей».

Что дальше: новые возможности в прогнозировании и безопасности

Полученные результаты открывают перспективы в прогнозировании грозовой активности, создании новых средств мониторинга и даже в области авиационной безопасности. Глубокое понимание начальных стадий формирования молнии может помочь разработать новые методы обнаружения потенциально опасных зон в атмосфере.

Кроме того, учёные рассчитывают, что новая модель поможет более точно интерпретировать данные, получаемые спутниками, в том числе по космическому гамма-излучению, связанного с молниями.

Итог

Молния — одно из самых мощных и загадочных явлений природы — наконец получила научно подтверждённую количественную модель, объясняющую её происхождение с максимальной точностью. Решение этой задачи стало важным шагом в области атмосферной физики, метеорологии и даже астрофизики, позволяя заглянуть в механизмы, которые до недавнего времени оставались скрытыми от науки.