Подробные кадры, наконец, показывают, что вызывает молнию

Ученые так и не смогли адекватно объяснить, откуда берется молния. Теперь первые детальные наблюдения за его появлением внутри облака показали, как электрические поля становятся достаточно сильными, чтобы летать болтами.

Томас Льютон

Во время летнего шторма 2018 года над сетью радиотелескопов в Нидерландах вспыхнула молния. Подробные записи телескопов, которые были обработаны совсем недавно, раскрывают то, чего раньше никто не видел: молния действительно зажигается внутри грозового облака.

В препринте в журнале Geophysical Research Letters исследователи использовали наблюдения, чтобы разрешить давний спор о том, что вызывает молнию — первый шаг в загадочном процессе, посредством которого молнии возникают, растут и распространяются на землю. «Это как-то неловко. Это самый энергичный процесс на планете, у нас есть религии, сосредоточенные вокруг этого, и мы понятия не имеем, как это работает», — сказал Брайан Хэйр , исследователь молний из Университета Гронингена и соавтор статьи.

Картина из школьного учебника такова: внутри грозового облака падает град, когда поднимаются более легкие кристаллы льда. Град стирает отрицательно заряженные электроны кристаллов льда, в результате чего верхняя часть облака становится положительно заряженной, а нижняя — отрицательно заряженной. Это создает электрическое поле, которое нарастает до тех пор, пока по небу не проскочит гигантская искра.

Тем не менее, электрические поля внутри облаков примерно в 10 раз слабее, чтобы создавать искры. «Люди десятилетиями запускали воздушные шары, ракеты и самолеты в грозы и никогда не видели достаточно больших электрических полей», — сказал Джозеф Дуайер , физик из Университета Нью-Гэмпшира и соавтор статьи, который ломает голову над происхождения молнии более двух десятилетий. «Это была настоящая загадка, как это происходит».

Большим препятствием является то, что облака непрозрачны; даже самые лучшие камеры не могут заглянуть внутрь, чтобы увидеть момент инициации. До недавнего времени это не оставляло ученым иного выбора, кроме как отправиться в шторм — то, что они пытались сделать со времен знаменитого эксперимента Бенджамина Франклина с воздушным змеем в 1752 году. , наблюдая, как воздушный змей стал наэлектризованным.) Совсем недавно метеозонды и ракеты предлагали снимки интерьера, но их присутствие имеет тенденцию мешать данным, искусственно создавая искры, которые не могут возникнуть естественным образом. «Долгое время мы действительно не знали, каковы условия внутри грозы в то время и в том месте, где ее инициирует молния», — сказал Дуайер.

Поэтому Дуайер и его команда обратились к низкочастотной решетке (LOFAR), сети из тысяч небольших радиотелескопов, в основном в Нидерландах. LOFAR обычно смотрит на далекие галактики и взрывающиеся звезды. Но, по словам Двайера, «так получилось, что он очень хорошо работает и для измерения молнии».

Когда над головой бушует гроза, LOFAR мало чем может помочь в астрономии. Поэтому вместо этого телескоп настраивает свои антенны, чтобы обнаруживать шквал примерно из миллиона радиоимпульсов, исходящих от каждой вспышки молнии. В отличие от видимого света, радиоимпульсы могут проходить сквозь густые облака.

Использование радиодетекторов для картографирования молний не ново; специально построенные радиоантенны уже давно наблюдают за штормами в Нью-Мексико . Но эти изображения имеют низкое разрешение или только в двух измерениях. LOFAR, современный астрономический телескоп, может отображать освещение в масштабе метр за метром в трех измерениях и с частотой кадров в 200 раз выше, чем у предыдущих инструментов. «Измерения LOFAR дают нам первую по-настоящему четкую картину того, что происходит внутри грозы», — сказал Двайер.

Материализующаяся молния производит миллионы радиоимпульсов. Чтобы восстановить трехмерное изображение молнии из множества данных, исследователи использовали алгоритм, аналогичный тому, который использовался при посадке на Луну Аполлона. Алгоритм постоянно обновляет то, что известно о положении объекта. В то время как одна радиоантенна может указывать только приблизительное направление вспышки, добавление данных от второй антенны обновляет положение. Постоянно зацикливая тысячи антенн LOFAR, алгоритм строит четкую карту.

Когда исследователи проанализировали данные о вспышке молнии в августе 2018 года, они увидели, что все радиоимпульсы исходили из области шириной 70 метров глубоко внутри грозового облака. Они быстро пришли к выводу, что структура импульсов поддерживает одну из двух ведущих теорий о том, как возникает самый распространенный тип молнии.

Одна идея состоит в том, что космические лучи — частицы из космоса — сталкиваются с электронами внутри гроз, вызывая электронные лавины, которые усиливают электрические поля.

Новые наблюдения указывают на конкурирующую теорию . Он начинается со скоплений кристаллов льда внутри облака. Турбулентные столкновения между игольчатыми кристаллами сбрасывают часть их электронов, оставляя один конец каждого кристалла льда положительно заряженным, а другой — отрицательно заряженным. Положительный конец притягивает электроны от близлежащих молекул воздуха. Больше электронов поступает от молекул воздуха, которые находятся дальше, образуя ленты ионизированного воздуха, которые отходят от каждого кончика кристалла льда. Их называют стримерами.

Каждая вершина кристалла порождает орды стримеров, при этом отдельные стримеры ответвляются снова и снова. Стримеры нагревают окружающий воздух, массово отрывая электроны от молекул воздуха, так что на кристаллы льда течет больший ток. В конце концов стример становится достаточно горячим и проводящим, чтобы превратиться в лидера — канал, по которому может внезапно пройти полноценная полоса молнии.

«Это то, что мы видим», — сказал Кристофер Стерпка , первый автор новой статьи. В фильме, показывающем инициацию вспышки, которую исследователи сделали из данных, радиоимпульсы растут экспоненциально, вероятно, из-за потока стримеров. «После схода лавины мы видим поблизости лидера молний», — сказал он. В последние месяцы Степка собирает больше фильмов о молниеносной инициации, похожих на первый.

Ключевая роль ледяных кристаллов согласуется с недавними выводами о том, что активность молний снизилась более чем на 10% в течение первых трех месяцев пандемии COVID-19. Исследователи связывают это падение с блокировками, которые привели к уменьшению количества загрязняющих веществ в воздухе и, следовательно, к уменьшению количества мест зарождения кристаллов льда.

«Шаги, установленные LOFAR, безусловно, очень важны», — сказала Уте Эберт , физик из Эйндховенского технологического университета в Нидерландах, изучающая инициирование молнии, но не участвовавшая в новой работе. Она сказала, что вводные фильмы LOFAR предлагают основу для создания точных моделей и симуляций молний, ​​которые до сих пор сдерживались отсутствием данных с высоким разрешением.

Эберт, однако, отмечает, что, несмотря на свое разрешение, фильм об инициации, описанный в новой статье, не показывает непосредственно частицы льда, ионизирующие воздух, — он показывает только то, что происходит сразу после этого. «Откуда появился первый электрон? Как разряд начинается рядом с ледяной частицей?» спросила она. По словам Эберта, немногие исследователи до сих пор поддерживают конкурирующую теорию о том, что космические лучи непосредственно инициируют молнию, но космические лучи все еще могут играть второстепенную роль в создании электронов , которые запускают первые стримеры , соединяющиеся с кристаллами льда. Как именно стримеры превращаются в лидеров, также является «предметом серьезных споров», — сказал Хэйр.

Дуайер надеется, что LOFAR сможет разрешить эти процессы миллиметрового масштаба. «Мы пытаемся увидеть те первые маленькие искры, которые отрываются от

Инициация — это лишь первый из многих замысловатых шагов, которые молния делает на своем пути к земле. «Мы не знаем, как он размножается и растет», — сказал Заяц. «Мы не знаем, как он соединяется с землей». Ученые надеются составить карту всей последовательности с помощью сети LOFAR. «Это совершенно новая возможность, и я думаю, что она резко расширит наше понимание молнии», — сказала Джулия Тиллес, исследователь молний из Национальной лаборатории Сандия в Нью-Мексико.

источник: