По данным NASA, в любой момент времени по всему миру происходит более 2000 гроз.
Прежде чем изменить представление о физике молний на Земле, Джозеф Дуайер изучал погоду в космических условиях. Используя датчики на спутнике NASA Wind, вращающемся на орбите в полутора миллионах километров от Земли, он наблюдал за вспышками, вырывающимися из Солнца, и анализировал частицы, вылетающие с его поверхности. Но когда он переехал во Флориду в начале нового тысячелетия, Дуайер почувствовал, что готов к чему-то новому — к чему-то, что он и его студенты могли бы исследовать самостоятельно. Не прошло много времени, как тропическая погода преподнесла ему подходящую загадку прямо за окном его кабинета. «Снаружи постоянно бу́мкало, — сказал Дуайер. — Я занялся этим вопросом и понял, что молния — это до сих пор не решённая задача».
Грозы завораживали человечество на протяжении тысячелетий, и всё же их внутреннее устройство остаётся в значительной степени загадочным. Грозовые облака непрозрачны. К ним опасно приближаться. И они слишком велики, чтобы поместиться в лаборатории. Любознательные исследователи уже почти три столетия запускают в них воздушных змеев, шары и ракеты, и они многое узнали. Но каждый раз, когда любители молний приближаются к месту действия, они обнаруживают серьёзные пробелы в своих знаниях. Последние 50 лет исследователи сосредоточены на одном конкретном вопросе: как зарождается ветвящийся канал раскалённого воздуха, который мы называем молнией?
В последнее время эта область переживает своего рода ренессанс, поскольку исследователи — многие из которых, как и Дуайер, в каком-то смысле «беженцы» из астрофизики — разработали новые способы проникновения сквозь облака. Они взяли целый ряд приборов, созданных для изучения мощных космических явлений, и направили их на изучение ярости земных гроз. Они наблюдали, как молния, извиваясь, испускает рентгеновские лучи, замечали мерцающее сияние гамма-лучей, исходящее из грозовых облаков, и совсем недавно обнаружили признаки молний, движущихся в неожиданных направлениях.
Никто ещё не сложил все кусочки воедино, но новое представление о молнии начинает обретать очертания. Эти устрашающие вспышки всё меньше и меньше похожи на гигантские электрические искры, какими их когда-то представляли себе физики. Хотя электричество и играет центральную роль, молнии формируются и определяются всем каноном физики — от космических взрывов до физики частиц. В частности, для запуска молнии, по-видимому, требуются экстремальные явления, которые чаще ассоциируются со сверхновыми, чёрными дырами и коллайдерами частиц, чем с пушистыми облаками.
«В этой области растёт консенсус о том, что высокоэнергетические процессы играют решающую роль в зарождении молнии, — сказал Кайтано да Сильва, физик-атмосферолог из Технологического университета Нью-Мексико. — Сейчас очень интересное время для работы в этой области».
Точка запуска
Когда молнии рассекали небо, древние греки, скандинавы и индусы видели в этом отблески божественной войны. А когда раскаты грома сотрясали их грудь, китайцы чувствовали, что божество наказывает грешников. И сегодня мощь грозы по-прежнему вызывает у людей благоговейный трепет.
«Я вырос, наблюдая за тем, как в Бразилию надвигаются эти огромные холодные фронты с множеством молний, — сказал да Сильва. — Я очень боялся этого».
Со страхом приходит и увлечение. Однако, несмотря на столетия исследований, увлечённые физики, такие как да Сильва, всё ещё задают тот же вопрос, что и древние: как возникает молния?
Некоторое время исследователи думали, что нашли ответ. В XVIII и XIX веках, разгадывая тайны электричества, физики научились по команде создавать мощные искры: достаточно было накопить электрический заряд на одном металлическом шаре, поднести к нему второй, и между ними проскакивала искра. Когда исследователи в конце концов выяснили структуру материи, они поняли, почему так происходит. Разделённые заряды создают электрическое поле между шарами. Когда напряжение этого поля достигает критической величины — примерно 3 миллиона вольт на метр — воздух начинает разрушаться. Поле выбрасывает свободные электроны в соседние атомы, где они выбивают из них ещё больше электронов. Подобно снегу на крутом горном склоне, электроны «обрушиваются лавиной», нагревая воздух до тех пор, пока он не начнёт светиться.
В 1752 году Бенджамин Франклин в ходе своего знаменитого эксперимента с воздушным змеем установил связь между искрами в лаборатории и молниями в небе. И в течение следующих 200 лет исследователи полагали, что происходящее в грозовых облаках было точно таким же, как и между их металлическими шарами, только в более крупных масштабах. Тайна молнии казалась разгаданной.
Но когда в середине XX века физики перешли от воздушных змеев к ракетам и метеорологическим шарам размером с грузовик, они столкнулись с проблемой. В облаках действительно есть электрические поля; крошечные кристаллы льда трутся друг о друга, как носки о ковёр, и кристаллы с избытком электронов имеют тенденцию скапливаться в нижней части облаков. Но эти поля слабы. Типичные грозы имеют всего десятую часть энергии, необходимой для образования искры, а самые сильные из когда-либо измеренных полей достигают лишь трети критической интенсивности. Тем не менее, согласно данным спутников NASA, в любой момент времени по всему миру происходит более 2000 гроз — наблюдение столь же загадочное, как лавины, грохочущие вниз по склонам для начинающих лыжников.
«Необходимо увеличить электрическое поле до уровня, значительно превышающего обычный порог пробоя, — сказал Майкл Сток, исследователь из Кооперативного института по исследованию и операциям в области суровой и опасной погоды при Университете Оклахомы. — Но в природе этого, похоже, не происходит».
Если мы видим молнию, это значит, что воздух распался на хаотичный набор горячих заряженных субатомных частиц. Значит, либо что-то резко усилило электрическое поле, подняв его выше критического порога, либо какой-то другой процесс должен был разрушить молекулы воздуха. Вопрос в том: что именно?
Один из ключей к разгадке снова даёт нам Франклин. Он заметил, что острые концы проводников с большей вероятностью могут вызвать или принять искру. Сегодня физики понимают, что это происходит потому, что заострённые проводники усиливают электрическое поле вблизи себя. В 1960-х и 1970-х годах физики во Флориде и Франции начали намеренно вызывать молнии, запуская в грозовые облака небольшие ракеты с острыми наконечниками. За ракетой раскручивался провод, направляющий разряд к земле.
В большинстве грозовых облаков нет ракетных дротиков, помогающих им искрить, но в них есть ледяные кристаллы, некоторые из которых могут превышать размер ластика. Эти куски льда, которые также являются проводниками, могут растягиваться в осколки. Физики подсчитали, что достаточно длинные ледяные осколки могут увеличить напряжённость поля в 10 раз и более, а совместное действие нескольких таких так называемых гидрометеоров может дать ещё лучший результат. Казалось, загадка была вновь решена.
Затем физики начали наблюдать за грозами из космоса и обнаружили, что грозовые облака оказались гораздо необычнее, чем они предполагали.
Неуправляемые лавины
В 1994 году спутник, занимавшийся поиском экстремальных взрывов в глубоком космосе, случайно зафиксировал вспышки гамма-излучения, исходящие из грозовых облаков, часто одновременно с молниями. Гамма-лучи — это самый энергичный тип лучей света, обычно знаменующий последний вздох умирающей звезды или катастрофическое столкновение двух нейтронных звёзд. Это не то, что можно было бы ожидать от облака, сколько бы в нём ни было острых ледяных осколков. Что-то происходило в быстром и интенсивном мире субатомных частиц.
Это было примерно в то время, когда Дуайер стал свидетелем громовых бурь во Флориде и узнал об их загадочном происхождении. Как астрофизик, он знал о субатомном мире. Он был знаком с работами лауреата Нобелевской премии Ч. Т. Р. Вильсона, который выдвинул гипотезу, что «релятивистский» электрон, движущийся со скоростью, близкой к скорости света, едва ли почувствует сопротивление со стороны атомов в воздухе. (Да Сильва сравнивает это с пулей, пронзающей вихрь снежинок). Достаточно быстрый электрон в электрическом поле мог бы, таким образом, «ускоряться» всё сильнее и сильнее.
Дуайер знал, что российский физик Александр Гуревич ещё в 1992 году доказал: такой «беглый» электрон может вызвать каскад из, возможно, 100 000 электронов — подобно лавинам, которые в лабораторных условиях дают искры, но в данном случае разворачивающимся на расстоянии от сотен до тысяч метров. Он также знал, что когда эти релятивистские «беглые» электроны отскакивают от молекул воздуха, они могут испускать гамма-излучение.
Сами по себе эти экстремальные субатомные явления, казалось, не были достаточно многочисленными, чтобы объяснить яркие гамма-лучи, освещающие грозовые облака. Но затем Дуайер представил себе сложный процесс, при котором одна лавина могла бы вызывать другую, а та — ещё одну, и так далее, одна за другой.
Согласно модели Дуайера, когда один из электронов в лавине сталкивался с атомом, он мог отскочить и испустить гамма-луч. Этот гамма-луч превращался в электрон и его античастицу — позитрон. Электрическое поле облака отбрасывало позитрон назад, почти к месту начала лавины. Там он мог бы столкнуться с другим атомом, вызвав новую лавину, которая привела бы к образованию ещё большего количества гамма-лучей, позитронов, лавин и так далее, пока не возникла бы вспышка, видимая с орбиты.
«Это как взять микрофон и прижать его к динамику, — сказал Дуайер, который сейчас работает в Университете Нью-Гэмпшира. — Звук может очень быстро стать очень громким».
Наслоение неуправляемых релятивистских лавин могло бы объяснить гамма-излучение. А также способствовать зарождению молнии. По мере каскадного развития лавины электроны скапливаются впереди, оставляя за собой положительно заряженные ионы — усиливая электрическое поле облака.
В компьютерных симуляциях Дуайер показал, что эта цепочка событий усиливала лавины, испускала гамма-лучи и усиливала электрическое поле. Примерно в то же время подробные моделирования осколков льда показали, насколько острыми они, вероятно, могут стать (оказалось, что не очень), что также начало ослаблять теорию гидрометеоров.
Так действительно ли внутри облаков происходят безудержные релятивистские лавины Дуайера? И может ли это усилить электрическое поле настолько, чтобы вызвать молнию? Мнения его коллег разделились.
Чтобы вызвать молнию, исследователи запускают в заряженную грозовую тучу небольшую ракету с тонкой заземлённой металлической проволокой. Эта проволока по команде инициирует удар молнии.
Исследователям нужно было приблизиться к месту действия. В июле 2023 года отчаянные физики оснастили высотный самолёт NASA детекторами гамма-излучения и направили его прямо над центром одних из самых свирепых штормов на планете — тропических штормов в Мексиканском заливе, Карибском бассейне и Центральной Америке. Самолёт поднялся на стратосферную высоту, которую, по словам да Сильвы, «большинство людей хотели бы избежать любой ценой». Кампания получила название ALOFT — аббревиатура, частично образованная из других аббревиатур. Её наблюдения принесли самый большой урожай новых данных за последнее поколение.
ALOFT показал, что грозовые облака — это бурлящие котлы, излучающие всевозможные гамма-лучи, которые слишком слабы, чтобы их можно было увидеть из космоса. Проект подтвердил наличие мягкого свечения и внезапных вспышек вокруг молний, которые также были обнаружены космическими приборами. Но ALOFT также обнаружил, что облака вспыхивают даже тогда, когда молнии не видно. Что наиболее любопытно, они ещё и мерцают.
«Они обнаружили целый зоопарк других явлений», — сказала Уте Эберт, физик-специалист по молниям из Технического университета Эйндховена в Нидерландах.
Одним из тех, кого наблюдения ALOFT не удивили до конца, был Дуайер. В ожидании объявления команды ALOFT он повторно провёл свои симуляции, чтобы предсказать, что увидит их гамма-детектор при пролёте над грозами. Он давно знал, что релятивистские лавины неизбежно накапливаются, образуя мерцающий узор, поэтому он точно рассчитал, какое именно мерцание вызовут столкновения частиц. Обе команды представили свои выводы в Сан-Франциско на ежегодном собрании Американского геофизического союза в декабре 2023 года, и результаты полностью совпали — это самое веское на сегодняшний день доказательство того, что субатомные столкновения, о которых говорил Дуайер, действительно происходят внутри настоящих гроз.
Сейчас другие теоретики развивают эту теорию. Прошлым летом Виктор Паско, инженер-электрик из Университета штата Пенсильвания, изучил цепочку событий, запускаемую при других условиях, например при наличии более сильных электрических полей, и обнаружил, что и в этих случаях лавины могут накапливаться и инициировать молнию, что служит дополнительным подтверждением всей концепции.
«Это укрепляет идею о том, что энергичные электроны играют здесь определённую роль, — сказал да Сильва. — До самого недавнего времени об этом говорил, по сути, только Дуайер».
Наперекор общепринятому мнению
Скорее всего, светиться, мерцать и испускать гамма-излучение облака заставляют цепочки лавин высокоэнергетических электронов. Но исследователи не могут с уверенностью сказать, что они же и вызывают молнии. Одна из загадок заключается в том, что молния, по-видимому, начинается в одной точке облака, в то время как лавины происходят на гораздо большей площади. Лавины приводят облако в состояние, близкое к тому, которое, как ожидается, в свою очередь приводит к появлению молнии. Но никто ещё не установил полную связь между ними и возникновением молнии.
Несмотря на то, что теория Дуайера получила поддержку, наблюдения начала 2025 года возродили ещё одну теорию образования молнии.
В пустыне Нью-Мексико две станции, усыпанные антеннами, зафиксировали радиоволны, исходящие от десятка отдельных ударов молнии. Используя эти данные, Сюань-Минь Шао, исследователь из Лос-Аламосской национальной лаборатории, смог воссоздать траекторию движения общего тока в начале этих разрядов. И он обнаружил странное. Если бы один из каскадов Дуайера или любой другой процесс, обусловленный исключительно электрическим полем, инициировал молнию, то прото-молния с самого начала процесса двигалась бы идеально в соответствии с электрическим полем. Но Шао обнаружил, что в этих случаях эти два направления слегка расходились. В этом расхождении Шао видит доказательство внеземного, даже внегалактического происхождения молнии — потока космических лучей.
Потоки космических лучей являются конечным результатом бурных явлений в глубоком космосе, таких как выброс частиц из поглощающих материю чёрных дыр или звёздные взрывы, выбрасывающие осколки материи — будь то протон из взрывающейся звезды или обнажённый атом железа, выброшенный из сверхмассивной чёрной дыры. Эти осколки пролетают миллиарды световых лет по Вселенной и врезаются в атмосферу Земли. В результате этого мощного столкновения под произвольным углом вниз в облако выбрасывается струя электронов, позитронов и других частиц. Эти электроны и позитроны могут обладать достаточной энергией, чтобы вырвать электроны из молекул и запустить лавину, даже если электрическое поле остаётся значительно ниже критического порога.
Для некоторых физиков аргументы Шао убедительны. «Исследования нужно вести в другом направлении, скорее всего, в область ионизации космических лучей, — сказал Дэвид Смит, физик из Калифорнийского университета в Санта-Крузе. — Я считаю эти данные чрезвычайно убедительными».
Другие говорят, что ещё слишком рано делать выводы из этого открытия. Метод реконструкции Шао ещё не полностью отработан, а потоки космических лучей полны плохо изученных явлений физики частиц. Появляется соблазн использовать их в качестве «волшебной палочки», — сказал Брайан Хэр, физик из Нидерландского института радиоастрономии, — чтобы заполнить иначе труднообъяснимый пробел в загадочном процессе.
Но если Шао и другие исследователи пронаблюдают больше случаев, в которых молнии летят под углом, это может подтолкнуть теоретиков к проработке этих деталей.
«Это по-настоящему классная идея, и есть намёк на то, что всё так и происходит на самом деле, — сказал Дуайер. — Если этот механизм верный, то каждый раз, когда вы видите вспышку молнии, вы знаете, что она связана с погибшей звездой где-то в Галактике».
За последние несколько десятилетий исследований молний было выдвинуто несколько идей о том, как природа может вызывать молнии из облаков со слабыми электрическими полями. И хотя эти теории соперничают в научной литературе, в реальном мире они, вероятно, взаимодействуют. Длинные ледяные иголки могут вызывать разряды в одном облаке, в то время как поток электронов, генерирующих гамма-излучение, делает это в другом облаке. И несколько механизмов могут работать вместе, чтобы вытолкнуть электрическое поле за порог невозврата. Только с помощью более точных измерений гамма-излучения и радиоволн, сопровождающих молнии, исследователи могут надеяться определить, какой из механизмов или какая комбинация механизмов является наиболее распространённой.
Но по мере того как физики приближаются к разгадке тайны возникновения молний, они вновь сталкиваются с неожиданными явлениями, которые не укладываются ни в одну из существующих теорий. Например, в гамма-излучении, зарегистрированном спутником ALOFT, обнаруживаются тонкие закономерности. А за последние несколько лет система радиотелескопов в Нидерландах предоставила одни из самых чётких на сегодняшний день снимков молнии в момент, когда она начинает разветвляться от своей исходной точки. Они показывают, что некоторые части выстреливают быстро, некоторые движутся относительно медленно, а некоторые пускают «иголки» по мере продвижения.
Эти особенности указывают на то, что даже по мере того, как объяснения становятся всё более полными, вопрос о том, как на самом деле работает молния, будет вновь и вновь подниматься. «Чем больше мы изучаем этот вопрос, тем всё это становится более и более странным, — сказал Дуайер. — Очевидно, что наши очень простые представления на деле неполны».
ссылка на оригинал статьи https://habr.com/ru/articles/1040348/