Усе стартує з космічних просторів: науковці виявили, яким чином виникає блискавка.

Енергія, необхідна для гроз, може надходити з лавини електронів, викликаних позаземними космічними променями. Тобто, зародження блискавки може відбуватись аж у космосі, стверджує нове дослідження.

Згідно з інформацією, опублікованою в журналі Live Science, дослідникам було відомо, що блискавка являє собою електричний розряд, який відбувається між грозовими хмарами та землею. Проте механізм, за допомогою якого грозові хмари формують електричне поле, достатньо сильне для виклику блискавки, залишався нерозгаданою таємницею протягом багатьох століть.

Останнє дослідження, проведене за допомогою комп'ютерних симуляцій, виявило, що блискавка є наслідком потужної ланцюгової реакції, коріння якої сягає в космос. Висновки цього дослідження були опубліковані в кінці липня у виданні Journal of Geophysical Research: Atmospheres.

"Наші висновки вперше надають точне кількісне пояснення механізму виникнення блискавки в природному середовищі", - зазначив керівник дослідження, професор електротехніки в Школі електротехніки та комп'ютерних наук Університету штату Пенсільванія Віктор Пасько. Він підкреслив, що цей процес об'єднує рентгенівське випромінювання, електричні поля та фізику електронних лавин.

Електричну природу блискавок вперше підтвердив Бенджамін Франклін у 1752 році. Його відомий, хоча й часто неправильно інтерпретований, експеримент полягав у запуску повітряного змія, один кінець якого був прив'язаний до металевого дроту завдовжки 0,3 метра, а інший — до ключа, що тримався Франкліном на шовковій стрічці. Коли на небі починалася гроза, повітряний змій набирав електричний заряд, а волога мотузка спричиняла появу маленької іскри, що стрибала з ключа на витягнутий палець винахідника.

Попри це відкриття, дані, зібрані з літаків та метеозондів, свідчать про те, що електричне поле, яке потрібно для каскадного падіння електронів на Землю, приблизно у десять разів потужніше, ніж те, що реально фіксується всередині хмар.

Існує дві суперечливі теорії, які намагаються пояснити, як виникає блискавка. Перша з них — теорія статичної електрики в атмосфері. Вона стверджує, що тертя між крижаними частинками в грозових хмарах призводить до відокремлення негативно заряджених електронів від атомів. Цей процес триває доти, поки електрони не почнуть іонізувати навколишні атмосферні частинки, в результаті чого утворюється достатня кількість електронів, які швидко прямують до землі, рухаючись різними шляхами.

Згідно з другою теорією, ця первісна іонізація викликається космічними променями -- високоенергетичними субатомними частинками (переважно протонами) з космосу, які потрапляють у верхні шари атмосфери. Ці промені походять від Сонця, зоряних вибухів, які ми називаємо надновими, пульсарів - нейтронних зірок, що швидко обертаються, та інших невідомих джерел. Коли космічні частинки потрапляють в атмосферу, вони викликають некерований пробій електронів, який закінчується розрядом, що б'є по землі.

У новому дослідженні вчені об'єднали дані з наземних датчиків, супутників і висотних літаків-розвідників і співставили цю інформацію з математичною моделлю, що імітує умови в хмарі перед ударом блискавки.

Розрахунки, проведені за допомогою моделі, підтвердили теорію космічних променів, показавши, що електрони, народжені високошвидкісними протонами, прискорюються вздовж ліній електричного поля та розмножуються при зіткненні з молекулами в атмосфері, такими як азот та кисень. За словами дослідників, це призводить до лавини електронів, які породжують високоенергетичні фотони, що, в свою чергу, запускає блискавку.

Цікаво, що ця модель також роз'яснює, чому спостерігаються спалахи гамма-випромінювання (високоенергетичних фотонів) і рентгенівського випромінювання перед появою блискавки.

"У нашому дослідженні ми виявили, що високоефективні рентгенівські промені, які з'являються під час лавин релятивістських електронів, призводять до утворення нових електронів через фотоелектричний ефект в атмосфері. Це, в свою чергу, значно підсилює ці лавини," – зазначив Пасько. Оскільки така реакція відбувається в надзвичайно малих обсягах, вона може розвиватися як лавиноподібна ланцюгова реакція з різкою зміною інтенсивності, часто досягаючи рівнів рентгенівського випромінювання, які можна зафіксувати, незважаючи на те, що супроводжуються лише дуже слабкими оптичними та радіосигналами. Це і пояснює, чому ці гамма-сплески можуть виникати з областей, які здаються оптично неяскравими і практично безшумними в радіодіапазоні.