Ученые давно знают, как выглядит удар молнии, но что именно запускает этот мощный разряд внутри грозовой тучи, оставалось загадкой. Похоже, тайна раскрыта. Группа исследователей под руководством Виктора Паско, профессора электротехники из Университета Пенсильвании, обнаружила ту самую цепную реакцию, которая рождает молнию.

В исследовании, опубликованном в издании Journal of Geophysical Research, авторы описали, как все происходит. Мощные электрические поля в грозовых облаках разгоняют электроны. Эти разогнанные частицы врезаются в молекулы азота и кислорода, что порождает рентгеновское излучение. Оно, в свою очередь, выбивает новые электроны и создает поток высокоэнергетических фотонов — начинается лавинообразный процесс, который и приводит к вспышке молнии.

Наши результаты впервые дают точное, количественное объяснение тому, как молния зарождается в природе, — сказал Паско. — Они связывают воедино рентгеновские лучи, электрические поля и физику электронных лавин.

Команда использовала математическое моделирование, чтобы подтвердить и объяснить наблюдения за фотоэлектрическими явлениями в атмосфере Земли. Суть в том, что электроны, «засеянные» космическими лучами из глубин космоса, начинают лавинообразно размножаться в электрических полях грозы и испускать короткие, но мощные всплески высокоэнергетических фотонов.

Это явление известно как наземная гамма-вспышка — невидимые природные выбросы рентгеновского излучения и сопутствующих радиосигналов.

Смоделировав условия, которые наблюдались в реальности, мы предложили полное объяснение рентгеновскому и радиоизлучению внутри грозовых облаков, — пояснил Паско. — Мы показали, как электроны, ускоренные сильными полями, производят рентген при столкновении с молекулами воздуха, создавая лавину частиц и высокоэнергетических фотонов, которые и инициируют молнию.

Аспирант Заид Первез с помощью модели соотнес реальные данные — собранные другими группами с помощью наземных датчиков, спутников и самолетов-разведчиков — с условиями в смоделированных грозовых облаках.

Мы объяснили, как происходят фотоэлектрические события, какие условия должны быть в облаках для начала каскада электронов и что вызывает все разнообразие радиосигналов, которые мы регистрируем до удара молнии, — сказал Первез. — Чтобы подтвердить наше объяснение, я сравнил результаты с предыдущими моделями, наблюдениями и своей работой над одним из видов разрядов, которые обычно происходят в небольших областях грозовых облаков.

Модель, опубликованная Паско и его коллегами в 2023 году, называется «Фотоэлектрический обратносвязный разряд». Она симулирует физические условия, в которых, вероятно, зарождается молния. Уравнения, лежащие в ее основе, доступны в статье для использования другими учеными.

Кроме того, исследователи объяснили любопытный факт: почему наземные гамма-вспышки часто возникают без привычных вспышек света и раскатов грома, которые сопровождают молнию во время грозы.

В нашей модели высокоэнергетические рентгеновские лучи от лавин электронов порождают новые «затравочные» электроны за счет фотоэффекта в воздухе, что резко усиливает эти лавины, — сказал Паско. — Эта неуправляемая цепная реакция может происходить в очень компактных объемах и с крайне переменной силой. Часто это приводит к регистрируемым уровням рентгена, но сопровождается очень слабыми оптическими и радиоизлучениями. Вот почему эти гамма-вспышки могут рождаться в источниках, которые кажутся темными и „радиомолчащими“.

Практическая польза этого открытия может проявиться в нескольких ключевых областях.

• Во-первых, это фундамент для создания принципиально новых систем молниезащиты. Понимание точки зарождения разряда позволяет не просто «ловить» молнию громоотводом, а предсказывать и, возможно, даже предотвращать ее формирование в критических зонах — например, над аэропортами, космодромами или объектами энергетики.
• Во-вторых, это прорыв в метеорологии. Модель может значительно повысить точность прогнозов грозовой активности, так как дает физикам четкие параметры для анализа.
• В-третьих, исследование проливает свет на мощные природные ускорители частиц в нашей атмосфере, что важно для авиационной и космической безопасности, так как эти всплески излучения могут влиять на работу электроники и здоровье экипажа.

Основное замечание лежит в плоскости проверки модели. Исследование строится на сопоставлении математической симуляции с данными полевых наблюдений других научных групп. Чтобы модель стала общепризнанной теорией, необходимы целенаправленные натурные эксперименты, которые бы в реальном времени фиксировали полную цепь событий — от начальных космических лучей до рентгеновской вспышки и зарождения лидера молнии — строго в соответствии с предсказаниями модели. Пока же мы имеем блестящее и логичное, но все же косвенное доказательство.

Ранее ученые впервые засекли гамма-вспышку внутри молнии.