Российские физики вплотную приблизились к разгадке механизма возникновения молний при грозе

Российские физики вплотную приблизились к разгадке механизма возникновения молний при грозе. Предположение о том, как это может происходить высказал еще в 1992 году отечественный ученый Александр Гуревич. Но только недавно появилась возможность для экспериментальной проверки его гипотезы. Сейчас изучается самая первая стадия формирования молнии.

На днях в лаборатории проблем новых ускорителей ФИАН заработала экспериментальная установка, позволяющая исследовать процессы образования длинной искры в воздухе — наиболее близкого аналога хорошо известной молнии, возникающей во время грозы. Эксперименты на новой установке проводятся в соответствии с положениями "Теории пробоя на убегающих электронах", разрабатываемой академиком Александром Гуревичем.

Несмотря на то что молния не является редким явлением (ее видели, наверное, все жители нашей планеты хотя бы один раз в жизни), до сих пор механизм возникновения этого грозного и красивого явления природы практически не изучен. Более того, те знания, которыми обладают ученые, говорят о том, что во время грозы молния не может возникнуть, поскольку, согласно имеющимся данным, электрические поля вблизи грозовых облаков существенно меньше, чем необходимо для возникновения электрических разрядов. Однако они, тем не менее, возникают, и иногда даже по несколько штук за минуту.

Еще в 1992 году, пытаясь как-то решить данный парадокс, отечественный физик Александр Гуревич сформулировал так называемую "Теорию пробоя на убегающих электронах". Вкратце суть ее такова. Многочисленные наблюдения и расчеты показали, что в воздухе большинство электронов имеют среднюю длину свободного пробега (то есть расстояние, которое частица преодолевает между двумя столкновениями с окружающими молекулами, атомами и частицами) около одного сантиметра. Однако там имеются так называемые быстрые электроны, которые двигаются со скоростью, близкой к скорости света. Соответственно, они имеют длину свободного пробега в 100 раз больше, то есть около метра.

Гуревич предположил, что если эти быстрые электроны (их-то и называют убегающими), несясь на огромной скорости, столкнутся с молекулами воздуха, то в результате из последних будет высвобождено еще несколько таких же быстрых электронов. Таким образом, несколько "первопроходцев" стимулируют появление орды вторичных убегающих электронов. Они, в свою очередь, также ускоряются полем.

В результате появляется экспоненциально нарастающая лавина убегающих электронов, вместе с которыми растет и число медленных (тепловых) электронов. Они также вышибаются в результате столкновений быстрых электронов с молекулами. Данная ситуация напоминает падение линии, составленной из костяшек для игры в домино, разница лишь в том, что в данном случае некоторые фишки падают медленно и не задевают другие, а некоторые — быстро, роняя своих соседей.

Предполагается, что все это должно приводить к быстрому росту электропроводности среды (которая, как мы знаем, растет вместе с увеличением концентрации свободных носителей заряда). В результате возникает явление, которое физики называют "электрический пробой". Кстати, подобное явление знакомо каждому автолюбителю — именно наличие такого пробоя бензовоздушной смеси на свече в двигателе внутреннего сгорания позволяет завести двигатель (в этой ситуации его обычно называют "искра"). Во время пробоя носитель заряда на длине свободного пробега приобретает энергию, достаточную для ионизации молекул кристаллической решетки или газа. Данная ионизация происходит, когда частицы вырывают у них электроны, без которых молекулы превращаются в положительно заряженные ионы. Вырванные же электроны, в свою очередь, тоже становятся свободными носителями заряда, которые вносят основной вклад в общий ток.

Впрочем, сам пробой — это еще не молния. Однако в результате этого явления образуется многокилометровый слой проводящей плазмы. А вот она уже способна создать тот самый грозовой разряд, который мы называем молнией.

Проведенные Гуревичем расчеты показали, что в атмосфере пробой может происходить при напряженности электрического поля, значительно меньшей, чем та, которая необходима для обычного пробоя (вроде того, что происходит на свечах автомобиля). Так, при давлении одна атмосфера пороговое поле для обычного пробоя составляет 23 кВ/см, а для пробоя на убегающих электронах — 2,16 кВ/см. Получается, что убегающие электроны вполне могут создать все условия, необходимые для возникновения этого явления.

Но откуда берутся самые первые убегающие электроны? Ученый предположил, что они появляются под действием космического излучения. В верхних слоях атмосферы оно ионизирует молекулы воздуха, высвобождая небольшое количество убегающих электронов, которые, попадая в область грозы, и вызывают пробой. Кстати, при этом должны возникать мощные вспышки рентгеновского излучения. И, как показали данные, полученные при экспериментах, проводившихся на самолетах и шарах-зондах, подобное действительно имеет место быть (первую такую вспышку при грозе зафиксировали еще в 1960 году, однако тогда никто не смог объяснить, откуда она взялась).

Серия полевых экспериментов, проведенная в конце прошлого — начале нынешнего столетия на Тянь-Шаньской высокогорной научной станции ФИАН, вроде бы, подтвердила данную теорию. Однако теперь появилась возможность изучить этот механизм в лабораторных условиях.

Правда, ученые сразу же заявили, что искусственную молнию пока никто создавать не собирается. "Наша задача — смоделировать не молнию, так как это многостадийный процесс, а ее начальный, то есть предпробойный этап", — говорит старший научный сотрудник лаборатории проблем новых ускорителей ФИАН, кандидат физико-математических наук Александр Огинов. Однако и это представляется весьма интересным для ученых.

Экспериментальная установка для моделирования аналога высотного атмосферного разряда создана сотрудниками Физического института РАН и Института сильноточной электроники СО РАН (Томск) на базе электронного релятивистского генератора, включающего в себя генератор импульсных напряжений. С ее помощью можно обнаружить наличие в воздухе убегающих электронов. Ученые же исследуют их поведение, выясняют основные характеристики и наблюдают их воздействие на молекулы окружающего воздуха.

"Сейчас идет этап накопления экспериментальных данных, но уже получено много новых интересных результатов. В планах — получить не статистический, а динамический эффект, то есть не ждать появления "затравочного" электрона, а научиться создавать его. И тогда, инжектируя затравочный пучок электронов, надеюсь, мы однозначно обнаружим усиление. И тем самым подтвердим возможность осуществления пробоя на убегающих электронах в соответствии с выводами теории", — комментирует результаты экспериментов Александр Огинов.

Впрочем, в дальнейшем на базе данных экспериментов физикам удастся создать искусственную молнию. И ее появление будет самым лучшим доказательством справедливости теории Гуревича. Однако пока необходимо детально исследовать самый первый этап ее возникновения…