Как рождаются молнии? Учёные России предложили принципиально новое объяснение

Молнии приковывают внимание людей с древнейших времен. Раньше их появление объясняли действием сверхъестественных сил и считали проявлением гнева богов. Вспомнить хотя бы громовержца Зевса. Именно он, бог неба, молний и грома, считался властителем мира и главным из богов-олимпийцев.

Однако позднее философы и физики начали постигать это устрашающее природное явление. Развитие науки в 18 веке привело учёных к пониманию того, что молнии как-то связаны с атмосферным электричеством. Однако до сих пор физики пытаются разобраться, что же способствует зарождения молний в грозовых облаках. Существующие объяснения не устраивают учёных, а загадка зарождения молний возглавляет список из 10 наиболее важных нерешённых проблем физики.

Российские учёные, работающие совместно с коллегами из США и Японии, предложили свой вариант объяснения, который принципиально отличается от имеющихся. Статья об этом исследовании вышла в престижном научном журнале Scientific Reports.

Исследователи из Института прикладной физики Российской академии наук (ИПФ РАН), Приволжского исследовательского медицинского университета (ПИМУ), Университета Флориды (США) и Университета электросвязи (Япония), считают, что для появления молнии в грозовых облаках достаточно естественной внутриоблачной динамики. Это фундаментально новая концепция, поскольку ранее существовавшие сценарии предполагали наличие вспомогательных факторов, таких как высокоэнергетические частицы космических лучей.

Что же подразумевается под внутриоблачной динамикой?

Учёные полагают, что всё начинается с мелких кристаллов льда и капель воды, которые присутствуют в грозовых облаках. Сталкиваясь между собой, они создают своего рода искры (изменение электрического поля), в которых рождается большое количество заряженных частиц — ионов.

Если таких центров образования ионов в облаке много, и они массово возникают достаточно близко друг от друга, их общий электрический заряд постепенно нарастает. Такой облачный заряд порождает своё собственное электрическое поле. В определённый момент напряжение становится настолько большим, что происходит электрический пробой воздуха.

Локальное усиление поля на дециметровых масштабах приводит к формированию так называемых стримеров — холодных слабопроводящих каналов плазмы. В дальнейшем разрозненные стримеры сливаются в более жизнеспособную трёхмерную сеть, внутри которой в местах сосредоточения наибольших токов формируется "зародыш" молнии.

Удлиняясь вдоль направления электрического поля, он превращается в полноценный канал молнии. Характерный масштаб процесса на каждом этапе увеличивается: сначала "всплески" электрического поля происходят на миллиметровых и сантиметровых масштабах, стримеры имеют длину уже порядка метра, а "зародыш" молнии растягивается и вовсе на десятки, а то и сотню метров.

То есть получается, что процесс инициации молний чем-то похож на нарастание снежного кома, который катится с горы. На каждом новом этапе разряд набирает силу. И это тоже новшество, предложенное учёными из России, США и Японии.

"Наша работа помогла решить одну из главных проблем современной физики атмосферного электричества. [...] Полученные знания помогут разработать новые методы молниезащиты", — комментирует данное исследование Дмитрий Иудин, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник ИПФ РАН и заведующий кафедрой медицинской физики и информатики ПИМУ.

Впрочем, пока предложенная учёными схема зарождения молний считается теоретической. Идею должны тщательно изучить их коллеги-эксперты из других стран. До тех пор, пока физики не приручили молнии, проверка подобных гипотез в реальных условиях остаётся проблематичной.