В новой статье профессор Университета штата Пенсильвания Виктор Пасько и его коллеги описали, как они определили, что сильные электрические поля в грозовых облаках ускоряют электроны, которые сталкиваются с молекулами азота и кислорода, производя рентгеновские лучи и инициируя поток дополнительных электронов и высокоэнергетических фотонов — идеальный шторм, из которого рождаются молнии. Результаты исследования опубликованы в журнале Journal of Geophysical Research: Atmospheres.
«Наши результаты дают первое точное количественное объяснение того, как возникают молнии в природе», — сказал профессор Пасько. «Она связывает точки между рентгеновскими лучами, электрическими полями и физикой электронных лавин».
В своем исследовании профессор Пасько и соавторы использовали математическое моделирование для подтверждения и объяснения полевых наблюдений фотоэлектрических явлений в атмосфере Земли — когда релятивистские электроны энергии, зарождающиеся под воздействием космических лучей, попадающих в атмосферу из космоса, размножаются в грозовых электрических полях и испускают кратковременные высокоэнергетические всплески фотонов.
Это явление, известное как земная гамма-вспышка, представляет собой невидимые естественные вспышки рентгеновского излучения и сопутствующее радиоизлучение.
«Используя нашу модель, которая воспроизводит условия, наблюдаемые в полевых условиях, мы дали полное объяснение рентгеновскому и радиоизлучению, присутствующему внутри грозовых облаков», — сказал профессор Пасько. «Мы продемонстрировали, как электроны, ускоренные сильными электрическими полями в грозовых облаках, производят рентгеновское излучение при столкновении с молекулами воздуха, такими как азот и кислород, и создают лавину электронов, которые производят высокоэнергетические фотоны, инициирующие молнии».
Исследователи использовали модель для сопоставления полевых наблюдений, собранных другими исследовательскими группами с использованием наземных датчиков, спутников и высотных самолетов-разведчиков, с условиями в моделируемых грозовых облаках.
«Мы объяснили, как происходят фотоэлектрические явления, какие условия должны быть в грозовых облаках, чтобы инициировать каскад электронов, и что является причиной широкого спектра радиосигналов, которые мы наблюдаем в облаках еще до удара молнии», — говорят авторы исследования. «Чтобы подтвердить наше объяснение возникновения молнии, я сравнил наши результаты с предыдущим моделированием, наблюдениями и моей собственной работой по типу молнии, называемому компактными межоблачными разрядами, которые обычно возникают в небольших локализованных областях в грозовых облаках».
Модель, известная как фотоэлектрический разряд с обратной связью, имитирует физические условия, в которых наиболее вероятно возникновение молнии.
Уравнения, использованные для создания модели, доступны в статье для других исследователей, чтобы они могли использовать их в своей работе.
Помимо раскрытия механизма возникновения молний, ученые объяснили, почему вспышки земного гамма-излучения часто возникают без вспышек света и радиовсплесков, которые являются привычными признаками молний во время штормовой погоды.
«В нашем моделировании высокоэнергетические рентгеновские лучи, создаваемые релятивистскими электронными лавинами, генерируют новые затравочные электроны, управляемые фотоэлектрическим эффектом в воздухе, быстро усиливая эти лавины», — сказал профессор Пасько. «Помимо того, что эта неуправляемая цепная реакция производится в очень компактных объемах, она может происходить с очень разной силой, часто приводя к обнаружимым уровням рентгеновского излучения, сопровождаясь при этом очень слабым оптическим и радиоизлучением. Это объясняет, почему эти вспышки гамма-излучения могут возникать из областей-источников, которые кажутся оптически тусклыми и радиомолчаливыми».
