Откуда берется молния? Ученые раздобыли подробные кадры грозы

Во время летнего урагана 2018 года над сетью радиотелескопов в Нидерландах вспыхнула мощная молния. Подробные записи этого явления раскрывают то, чего раньше никто не видел: молния загорается непосредственно внутри грозового облака.

В новой статье, опубликованной в журнале Geophysical Research Letters, исследователи попытались разрешить давний спор о том, что вызывает молнию — первый шаг в загадочном процессе, посредством которого молнии возникают, растут и расползаются по небу.

Что мы знаем со школы? Грозовое облако представляет собой огромное количество пара. Все это — крошечные капли или кристаллы льдинок. Они находятся в постоянном движении, вызванном восходящими потоками теплого воздуха от нагретой поверхности земли. Те, что легче, поднимаются наверх, сталкиваясь с тяжелыми каплями и вызывая тем самым электризацию. Тяжелые заряжаются отрицательно, а легкие — положительно. В результате верхняя часть облака становится положительно заряженной, а нижняя — отрицательно. 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 для того, чтобы создавать искры. «Люди десятилетиями посылали воздушные шары, ракеты и самолеты в грозы и никогда не видели достаточно больших электрических полей. Это была настоящая загадка», — говорит Джозеф Дуайер, физик из Университета Нью-Гэмпшира, который ломал голову над происхождением молнии более двух десятилетий.

Ученые были бы рады рассмотреть явление поближе, вот только облака непрозрачны — даже мощнейшие камеры не могут заглянуть внутрь, чтобы застать момент начала грозы. Долгое время мы действительно не знали, каковы условия зарождения молнии. Однако мир получил ответ.

Дуайер и его команда обратились к LOFAR, сети из тысяч небольших радиотелескопов в Нидерландах. LOFAR обычно смотрит на далекие галактики и взрывающиеся звезды. Но, по словам Дуайера, устройство пригодилось и для просмотра грозы.

Механизм настраивает антенны, чтобы обнаружить шквал примерно из миллиона радиоимпульсов, исходящих от каждой вспышки молнии. В отличие от видимого света, радиоимпульсы могут проходить даже сквозь густые облака.

LOFAR, современная астрономическая матрица телескопов, способна отображать освещение в трех измерениях с частотой кадров в 200 раз выше, чем у предыдущих инструментов. Картинка LOFAR дает первое по-настоящему четкое представление о том, что происходит внутри грозы.

Материализующаяся молния производит миллионы радиоимпульсов. Чтобы восстановить трехмерное изображение молнии из множества данных, исследователи использовали алгоритм, аналогичный тому, который применялся при посадке на Луну «Аполлона». Алгоритм постоянно обновляет местоположение объекта и, зацикливая тысячи антенн, 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.

Все 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. Ленты, в свою очередь, отходят от каждого кончика кристалла льда. Их называют стримерами.

Каждая вершина кристалла порождает целые орды стримеров, при этом некоторые из них 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. То, как именно стримеры превращаются в лидеров, — все еще остается предметом серьезных споров.

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 с уменьшением загрязнения воздуха из-за локдауна, что привело к уменьшению количества мест появления кристаллов льда.

Зарождение молнии — это лишь первый из многих замысловатых шагов, которые молния делает на своем пути к земле. Ученые до сих пор не знают, как она множится, растет и соединяется с землей. Они надеются составить карту всей последовательности с помощью сети LOFAR. Это резко расширит наше понимание молнии и грозового процесса в целом.

━━━━━

Анастасия Дегтярева