Никто точно не может сказать, что вызывает вспышки молнии. В настоящее время двое российских исследователей говорят, что эти разряды силой в миллиарды вольт могут быть вызваны взаимодействием космических лучей — потоками высокоэнергетических частиц, идущих к нам из внешнего космоса — с каплями воды в грозовых облаках.
Здесь и ниже иллюстрации Wikimedia Commons и Vaisala.
Нет, конечно, все мы слышали о гипотезе Бенджамина Франклина, согласно которой молния — это разряд, возникающий между облаками и поверхностью Земли просто из-за разницы в их зарядах. В этой концепции, однако, есть довольно уязвимое место. Для возникновения разряда необходимо, чтобы между облаками и поверхностью (или соседними облаками) была слишком уж большая разница по зарядам. Как выяснилось из информации, полученной метеозондами в 1990-х, на практике наблюдается не более одной десятой такой разницы. Тем не менее молнии, похоже, всё же случаются. Так за счёт чего?
Александр Гуревич и Ко полагают, что высокоэнергетические частицы в атмосфере запускают процесс, названный пробой на убегающих электронах (ПУЭ). А «спусковым крючком» ПУЭ служат космические лучи. Эти потоки заряженных частиц, в основном протонов, порождаемые далёкими вспышками сверхновых (и другими процессами), попадая в атмосферу и сталкиваясь с ядрами атомов воздуха, вызывают лавинообразный процесс образования свободных электронов со значительной энергией (широкие атмосферные ливни).
Электрические поля в грозовых облаках разгоняют электроны до околосветовых скоростей. Дальнейшие столкновения электронов с атомами воздуха рождают дополнительные свободные электроны, а также рентгеновское и гамма-излучение («тёмные молнии», о которых «КЛ» не устаёт писать), переходящие в нити электрических разрядов — стримеры, хорошо проводящие каналы, при слиянии которых возникает термоионизованный канал с высокой проводимостью (он же ступенчатый лидер молнии).
В теории всё выглядит очень стройно: ПУЭ появляется в атмосфере в постоянном электрическом поле, на порядок меньшем поля обычного пробоя, то есть при наличии космических лучей наблюдаемых атмосферных электрических полей наконец-то достаточно, чтобы объяснить феномен как тёмной молнии, так и её видимого аналога.
Но вплоть до самого последнего времени всё это оставалось лишь теорией: не было конкретных свидетельств того, что именно космические лучи ответственны за начало пробоя на убегающих электронах.
Увы, воспроизвести такие процессы в лаборатории оказалось довольно трудно, и дело не только в том, что для этого нужно напряжение в 10 млн вольт. Давно известно, что космические лучи, входя в земную атмосферу, генерируют радиоимпульсы, и во время гроз радиоимпульсов со сходными параметрами больше, чем когда гроз нет.
Чтобы сверить гипотезу с наблюдениями, Александр Гуревич и Анатолий Караштин из Научно-исследовательского радиофизического института (Нижний Новгород) проанализировали данные от радиоинтерферометров, снятые при 3 800 ударах молний над Россией и Казахстаном. Поскольку радиоинтерферометры позволяют привязать зарегистрированные ими радиоволны к конкретным направлениям, учёным удалось недвусмысленно соотнести сотни и даже тысячи коротких и сильных радиоимпульсов с моментами, прямо предшествовавшими ударам молний. Более того, оказалось, что конкретные параметры радиоимпульсов совпадают с теоретически предсказанными особенностями их генерации космическими лучами.
Так что же, выходит, наблюдения всё объяснили? На самом деле, хотя и подтвердилось, что космические лучи играют роль «затравки» для тёмных и сопровождающих их обычных молний, осталась важная неясность. Над Россией и Казахстаном просто нет такого количества космических лучей необходимых энергий, чтобы породить наблюдаемый «обвал» молний.
Чтобы объяснить это «несоответствие», физики проанализировали характер возможного взаимодействия зафиксированных радиоинтерферометрами волн с каплями воды и градинами (гидрометеорами). Выяснилось, что, когда электроны низких энергий, сопутствующие свободным электронам высоких энергий, проходят мимо капель и градин в атмосфере, запускается ряд микроразрядов, радикально усиливающих как электрическое поле в районе возникновения будущей молнии, так и радиоимпульс, позднее регистрировавшийся приборами.
Вверху: частота попаданий космических лучей в атмосферу Земли. Внизу: частота ударов молний на единицу площади. Хорошо видно, что одних космических лучей мало для генерации молний: им нужно взаимодействие с каплями воды.
