Все починається з космосу: вчені розкрили, як утворюється блискавка
Енергія, необхідна для гроз, може надходити з лавини електронів, викликаних позаземними космічними променями. Тобто, зародження блискавки може відбуватись аж у космосі, стверджує нове дослідження.
Як пише видання Live Science, вченим уже було відомо, що блискавка – це електричний розряд між грозовими хмарами та поверхнею Землі. Але те, як саме грозові хмари створюють електричне поле, досить потужне для виникнення блискавки, залишалося загадкою протягом століть.
Нове дослідження з використанням комп'ютерних моделей показало, що блискавка виникає в результаті потужної ланцюгової реакції, початок якої лежить у космічному просторі. Результати цієї роботи було опубліковано наприкінці липня в журналі Journal of Geophysical Research: Atmospheres.
"Наші результати дають перше точне кількісне пояснення того, як зароджується блискавка в природі", – заявив керівник дослідження, професор електротехніки в Школі електротехніки та комп'ютерних наук Університету штату Пенсільванія Віктор Пасько. За його словами, процес пов'язує воєдино рентгенівські промені, електричні поля та фізику електронних лавин.
Електрична природа блискавки була підтверджена Бенджаміном Франкліном ще у 1752 році. Знаменитий, хоча й часто спотворений експеримент Франкліна включав запуск повітряного змія, який був одним кінцем прив’язаний до дроту завдовжки 0,3 метра, а іншим – до ключа, який Франклін тримав шовковою стрічкою. Коли починалася гроза, повітряний змій наелектризувався, а мотузка намокала, так що з ключа на витягнутий палець Франкліна перескакувала невелика іскра.
Незважаючи на це відкриття, дані, отримані з літаків та метеозондів, показують, що електричне поле, необхідне для каскадного падіння електронів на Землю, приблизно в 10 разів сильніше, ніж те, що фактично вимірюється всередині хмар.
Природу виникнення блискавки пояснюють дві конкуруючі між собою теорії. Перша з них – теорія статичної атмосферної електрики – передбачає, що тертя між крижаними скупченнями в грозових хмарах відокремлює негативно заряджені електрони від атомів, змушуючи їх об'єднуватися до тих пір, поки вони не іонізують частинки в атмосфері під ними, звільняючи достатню кількість електронів, які стрімко спускаються до землі кількома розгалуженими траєкторіями.
Згідно з другою теорією, ця первісна іонізація викликається космічними променями — високоенергетичними субатомними частинками (переважно протонами) з космосу, які потрапляють у верхні шари атмосфери. Ці промені походять від Сонця, зоряних вибухів, які ми називаємо надновими, пульсарів – нейтронних зірок, що швидко обертаються, та інших невідомих джерел. Коли космічні частинки потрапляють в атмосферу, вони викликають некерований пробій електронів, який закінчується розрядом, що б’є по землі.
У новому дослідженні вчені об'єднали дані з наземних датчиків, супутників і висотних літаків-розвідників і співставили цю інформацію з математичною моделлю, що імітує умови в хмарі перед ударом блискавки.
Розрахунки, проведені за допомогою моделі, підтвердили теорію космічних променів, показавши, що електрони, народжені високошвидкісними протонами, прискорюються вздовж ліній електричного поля та розмножуються при зіткненні з молекулами в атмосфері, такими як азот та кисень. За словами дослідників, це призводить до лавини електронів, які породжують високоенергетичні фотони, що, в свою чергу, запускає блискавку.
Примітно, що модель також пояснює, чому спалахи гамма-випромінювання (високоенергетичних фотонів) та рентгенівського випромінювання відбуваються перед ударами блискавки.
"У нашому моделюванні високоенергетичні рентгенівські промені, які утворюються під час лавин релятивістських електронів, створюють нові зародкові електрони завдяки фотоелектричному ефекту в повітрі, що швидко підсилює ці лавини", — сказав Пасько. Оскільки ця реакція виникає в дуже компактних об’ємах, вона може розвиватися як лавиноподібна ланцюгова реакція зі значною змінністю інтенсивності, часто досягаючи рівнів рентгенівського випромінювання, які можна зафіксувати, хоча супроводжується лише дуже слабкими оптичними та радіосигналами. Це й пояснює, чому ці гамма-сплески можуть виникати з областей, які виглядають оптично тьмяними та мовчазними в радіодіапазоні.
Раніше OBOZ.UA розповідав, що вчені виявили зміну нахилу земної осі – винуваті в цьому самі люди.
Підписуйтесь на канали OBOZ.UA в Telegram і Viber, щоб бути в курсі останніх подій.