Космос стреляет в облака, а Земля отвечает громом: новая теория объяснила, откуда берётся молния

Молния — одно из самых завораживающих и опасных природных явлений. Её вспышка может осветить небо на десятки километров, а гром, следом раздающийся, напоминает о колоссальной энергии, скрытой в атмосфере. С древних времён люди воспринимали молнии как проявление воли богов, но даже современные физики до недавнего времени не могли объяснить, как именно рождается этот мощный электрический разряд.

Недавно группа исследователей из Пенсильванского университета под руководством инженера-электрика Виктора Паско смогла раскрыть загадку, над которой наука билась десятилетиями. Благодаря компьютерному моделированию и точным наблюдениям за атмосферой учёные показали, как всего несколько свободных электронов способны запустить гигантскую цепную реакцию, которая буквально за доли секунды превращается в ослепительную вспышку света.

"Наши результаты впервые дают количественное объяснение того, как именно в природе рождается молния. Мы связали между собой рентгеновское излучение, электрические поля и физику электронных лавин", — пояснил инженер Виктор Паско.

Тайна, скрытая в облаках

Долгое время физики знали, что молния возникает из-за разности электрических зарядов в грозовом облаке. Когда положительно и отрицательно заряженные области приближаются друг к другу, между ними образуется напряжённое поле. Воздух, обычно являющийся изолятором, в какой-то момент перестаёт удерживать заряд — и происходит пробой. Однако ключевой вопрос оставался без ответа: что именно инициирует этот пробой, как заряды "решают", что пора разрядиться?

Исследование Паско показало, что всё начинается с двух природных факторов:

1. Сильные электрические поля, возникающие в грозовых облаках из-за трения потоков воздуха и перемещения льдинок, капель и пылинок.

2. Космические лучи, непрерывно пронизывающие атмосферу Земли и приносящие электроны с почти световой скоростью.

Когда электрон, пришедший из космоса, попадает в зону мощного электрического поля, он ускоряется и сталкивается с молекулами азота и кислорода. В результате выбиваются новые электроны — и начинается лавинообразная реакция. Учёные называют её релятивистской лавиной электронов.

Каждый новый электрон, сталкиваясь с частицами воздуха, создаёт ещё больше свободных зарядов, усиливая электрическое поле. В какой-то момент система становится неустойчивой — и происходит пробой, который мы видим как яркую вспышку.

Сравнение: традиционные и современные объяснения природы молнии

Фотоэлектрический разряд и рентгеновские фотоны

В ходе работы команда Паско создала численную модель, получившую название "Фотоэлектрический разряд с обратной связью". Она доказала, что рентгеновское излучение, возникающее при столкновениях электронов с молекулами воздуха, играет ключевую роль в процессе образования молнии.

Когда высокоэнергетический электрон ударяется о молекулу азота или кислорода, он не просто выбивает из неё новые электроны. В этот момент выделяется рентгеновский фотон - частица света с очень высокой энергией. Эти фотоны, в свою очередь, выбивают ещё больше электронов, которые продолжают лавину. Таким образом возникает самоподдерживающаяся обратная связь, ускоряющая процесс в геометрической прогрессии.

"Мы смогли объяснить, почему в грозовых облаках возникают рентгеновские всплески и радиосигналы, которые наблюдали ещё со времён первых спутников", — отметил Виктор Паско.

Именно рентгеновские всплески, зафиксированные орбитальными приборами, давно удивляли учёных. Теперь ясно, что они — прямое свидетельство электронных лавин, предшествующих молнии.

Советы шаг за шагом: как наблюдать молнию безопасно

1. Избегайте открытых пространств. Молния чаще всего поражает самые высокие объекты.

2. Не стойте под деревьями. Влага на листве делает дерево отличным проводником.

3. Отключайте электронику. Приближающаяся гроза может вызвать скачки напряжения.

4. Не касайтесь металла и воды. Ванны, краны, велосипеды и даже зонты проводят ток.

5. В автомобиле — не паникуйте. Металлический кузов действует как клетка Фарадея и защищает от разряда.

Ошибка → Последствие → Альтернатива

• Ошибка: пытаться снимать молнию с балкона во время грозы.
  Последствие: риск поражения электричеством через металлические конструкции.
  Альтернатива: использовать дистанционную съёмку через закрытое окно или видеокамеру с таймером.

• Ошибка: прятаться под одиноким деревом.
  Последствие: молния с большой вероятностью ударит именно в него.
  Альтернатива: лечь на землю вдали от высоких объектов.

• Ошибка: звонить по мобильному телефону на улице.
  Последствие: устройство может привлечь разряд из-за электромагнитного поля.
  Альтернатива: выключить телефон и переждать грозу в помещении.

А что если… молния ударит рядом?

Если разряд прошёл совсем близко, человек может испытать кратковременную глухоту, головокружение или ожог. Важно сразу лечь на землю и минимизировать контакт с металлом. После инцидента стоит проверить сердечный ритм и при необходимости обратиться к врачу — молния способна вызвать аритмию даже без прямого удара.

Плюсы и минусы открытия

FAQ

Что запускает молнию?
Начальный импульс дают электроны космического происхождения, ускоренные полем внутри облака.

Почему молнии не одинаковые?
Плотность, температура и влажность воздуха влияют на характер и форму разряда.

Можно ли предсказать место удара молнии?
Современные системы наблюдения позволяют предсказать регион, но не конкретную точку.

Какой ток у молнии?
Средний разряд достигает силы в 30 000 ампер, а температура — до 30 000 °C.

Зачем изучать молнии?
Знание механизмов их образования помогает совершенствовать грозозащиту самолётов, электросетей и зданий.

Мифы и правда

• Миф: молния не бьёт дважды в одно место.
  Правда: бьёт, и довольно часто. Например, в Эмпайр-стейт-билдинг она попадает более 20 раз в год.

• Миф: автомобиль притягивает молнии.
  Правда: напротив, кузов создаёт защиту, рассеивая заряд.

• Миф: резиновая обувь спасает от удара.
  Правда: при разряде в десятки миллионов вольт резина не играет роли.

Исторический контекст

Изучение молний началось ещё в XVIII веке с опытов Бенджамина Франклина, который первым доказал, что это электрический разряд. Он изобрёл громоотвод, тем самым спасая миллионы зданий по всему миру. В XX веке физики научились регистрировать электромагнитные поля молний, но точного понимания механизма их зарождения не было. Только с развитием спутниковых технологий и квантовой физики удалось заглянуть внутрь грозового облака и увидеть, как "рождается" молния буквально из ничего — из нескольких электронов, ускоренных природой.

"Каждая молния — это миниатюрный ускоритель частиц, созданный самой атмосферой", — подчеркнул инженер Виктор Паско.

Три интересных факта

1. Ежесекундно на Земле происходит около 100 молний — это почти 8 миллионов разрядов в день.

2. Самая длинная зарегистрированная молния протянулась на 768 километров и была зафиксирована над США в 2020 году.

3. Удар молнии способен зарядить лампочку мощностью 100 Вт на 3 месяца непрерывной работы.