Космические лучи порождают молнии, взаимодействуя с каплями воды

В 1992 году российский физик Александр Гуревич из Физического института им. П. Н. Лебедева РАН предположил, что молнии вызываются космическими лучами, которые попадают в атмосферу Земли.

Здесь и ниже иллюстрации Wikimedia Commons и Vaisala.

Нет, конечно, все мы слышали о гипотезе Бенджамина Франклина, согласно которой молния — это разряд, возникающий между облаками и поверхностью Земли просто из-за разницы в их зарядах. В этой концепции, однако, есть довольно уязвимое место. Для возникновения разряда необходимо, чтобы между облаками и поверхностью (или соседними облаками) была слишком уж большая разница по зарядам. Как выяснилось из информации, полученной метеозондами в 1990-х, на практике наблюдается не более одной десятой такой разницы. Тем не менее молнии, похоже, всё же случаются. Так за счёт чего?

Александр Гуревич и Ко полагают, что высокоэнергетические частицы в атмосфере запускают процесс, названный пробой на убегающих электронах (ПУЭ). А «спусковым крючком» ПУЭ служат космические лучи. Эти потоки заряженных частиц, в основном протонов, порождаемые далёкими вспышками сверхновых (и другими процессами), попадая в атмосферу и сталкиваясь с ядрами атомов воздуха, вызывают лавинообразный процесс образования свободных электронов со значительной энергией (широкие атмосферные ливни).

Электрические поля в грозовых облаках разгоняют электроны до околосветовых скоростей. Дальнейшие столкновения электронов с атомами воздуха рождают дополнительные свободные электроны, а также рентгеновское и гамма-излучение («тёмные молнии», о которых «КЛ» не устаёт писать), переходящие в нити электрических разрядов — стримеры, хорошо проводящие каналы, при слиянии которых возникает термоионизованный канал с высокой проводимостью (он же ступенчатый лидер молнии).

В теории всё выглядит очень стройно: ПУЭ появляется в атмосфере в постоянном электрическом поле, на порядок меньшем поля обычного пробоя, то есть при наличии космических лучей наблюдаемых атмосферных электрических полей наконец-то достаточно, чтобы объяснить феномен как тёмной молнии, так и её видимого аналога.

Но вплоть до самого последнего времени всё это оставалось лишь теорией: не было конкретных свидетельств того, что именно космические лучи ответственны за начало пробоя на убегающих электронах.

Увы, воспроизвести такие процессы в лаборатории оказалось довольно трудно, и дело не только в том, что для этого нужно напряжение в 10 млн вольт. Давно известно, что космические лучи, входя в земную атмосферу, генерируют радиоимпульсы, и во время гроз радиоимпульсов со сходными параметрами больше, чем когда гроз нет.

Чтобы сверить гипотезу с наблюдениями, Александр Гуревич и Анатолий Караштин из Научно-исследовательского радиофизического института (Нижний Новгород) проанализировали данные от радиоинтерферометров, снятые при 3 800 ударах молний над Россией и Казахстаном. Поскольку радиоинтерферометры позволяют привязать зарегистрированные ими радиоволны к конкретным направлениям, учёным удалось недвусмысленно соотнести сотни и даже тысячи коротких и сильных радиоимпульсов с моментами, прямо предшествовавшими ударам молний. Более того, оказалось, что конкретные параметры радиоимпульсов совпадают с теоретически предсказанными особенностями их генерации космическими лучами.

Так что же, выходит, наблюдения всё объяснили? На самом деле, хотя и подтвердилось, что космические лучи играют роль «затравки» для тёмных и сопровождающих их обычных молний, осталась важная неясность. Над Россией и Казахстаном просто нет такого количества космических лучей необходимых энергий, чтобы породить наблюдаемый «обвал» молний.

Чтобы объяснить это «несоответствие», физики проанализировали характер возможного взаимодействия зафиксированных радиоинтерферометрами волн с каплями воды и градинами (гидрометеорами). Выяснилось, что, когда электроны низких энергий, сопутствующие свободным электронам высоких энергий, проходят мимо капель и градин в атмосфере, запускается ряд микроразрядов, радикально усиливающих как электрическое поле в районе возникновения будущей молнии, так и радиоимпульс, позднее регистрировавшийся приборами.

Вверху: частота попаданий космических лучей в атмосферу Земли. Внизу: частота ударов молний на единицу площади. Хорошо видно, что одних космических лучей мало для генерации молний: им нужно взаимодействие с каплями воды.

Возражения, касающиеся публикации Гуревича и Караштина, не заставили себя ждать. Клив Саундерс (Clive Saunders) из Манчестерского университета (Великобритания), горячий сторонник альтернативной теории формирования молний, полагает, что «не показана корреляция между молниевой активностью и частотой прибытия космических лучей...»

Поясним: когда Солнце находится на пике своей активности, оно должно отражать значительную часть космических лучей от Земли в пределах гелиосферы. Если теория Гуревича верна, то в годы таких пиков молний должно быть намного меньше, чем в периоды солнечных минимумов. Поэтому, полагает британец, «пока они не докажут такую корреляцию, вся концепция остаётся под вопросом».

Но чтобы полностью принять эту критику, следует показать, насколько именно космические лучи достаточно высоких энергий в действительности отражаются, сталкиваясь с частицами солнечного ветра, так как пока чёткие количественные модели такого взаимодействия не продемонстрированы...

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Physical Review Letters.

Подготовлено по материалам ScienceNOW. 

Источник: Компьюлента