Молнии изучают не одно столетие, но в их природе еще много неясного. Как зарождается разряд в облаке, что такое шаровая молния, почему во время грозы испускаются гамма-кванты — на эти вопросы только предстоит ответить. РИА Новости рассказывает о самых актуальных исследованиях в области атмосферного электричества.

"Молния — это электрический разряд, который движется в атмосфере по тонкому горячему плазменному каналу — лидеру — от облака к земле, между облаками или поднимается с высоких зданий", — рассказывает РИА Новости Александр Костинский, кандидат физико-математических наук, заместитель директора МИЭМ им. А. Н. Тихонова, участник международного проекта "Молнии и их проявления", поддержанного Минобрнауки и РНФ.

Для возникновения молнии нужно облако. Поднимаясь вверх, оно расширяется, охлаждается, в нем образуются мелкие капли воды, снежинки, град и множество других частичек разных размеров, которые называют гидрометеорами. По сути, внутри облака формируется аэрозоль, его частицы трутся друг о друга и приобретают заряды разного знака.

После конденсации влаги облако немного нагревается и поднимается выше, затягивая в себя окружающий воздух. Вот почему грозы сопровождаются усилением ветра. Внутри облака складываются слои положительно и отрицательно заряженных частиц, выпадает дождь, начинаются внутриоблачные разряды, некоторые из них доходят и до земли.

Канал молнии проводит сильный электрический ток благодаря плазме — сильно ионизированному газу. На фотографиях, сделанных скоростной камерой, видно, как лидер молнии ветвится во время движения. Когда он приближается к земле, с высоких точек — небоскребов, телебашен — навстречу устремляются восходящие лидеры. По соединенному каналу идет мощный ток со скоростью всего в несколько раз ниже скорости света. Именно эту вспышку мы видим при ударе молнии.

"Мы наблюдаем молнию, когда она большая, энергичная, устраивает пожары, убивает животных, выводит из строя аппаратуру. Но момент ее зарождения в облаке остается одной из главных научных загадок вот уже сотню лет", — продолжает ученый.

На этот счет есть много гипотез, очень сложных и не объясняющих всех наблюдаемых явлений. Измерено: чтобы пробить разрядом всего один сантиметр воздуха, требуется напряжение в тридцать тысяч вольт. Значит, в облаке должны быть очень сильные электрические поля, но измерения дают в несколько раз меньшие значения.
"Каждую секунду в землю ударяют около сотни молний, и никто не знает, как они зарождаются. Больше того, физические измерения показывают, что они не должны образовываться в облаках", — отмечает Костинский.

Шаровая молния

Отдельная загадка — шаровая молния. Известны тысячи свидетельств о ней из разных исторических эпох, ученые даже экспериментально получили в лаборатории "шаровые плазменные образования", но доказать, что это и есть изучаемое природное явление, не удается. Основной вопрос (помимо зарождения) состоит в том, почему заряженный сгусток плазмы существует в атмосфере настолько долго — секунды и минуты. По идее, без внешней подпитки он должен остыть за тысячные доли секунды, потеряв проводимость.
Некоторые исследователи допускали, что шаровые молнии — это оптический эффект, но несколько лет назад китайские ученые засняли на скоростную камеру с оптическим спектрометром шаровое свечение во время разрядов молнии, которое существовало почти секунду. Это мало что прояснило в природе феномена, но подтвердило его реальность.

Еще больше загадок

В 1989 году благодаря спутникам открыли совершенно новый вид атмосферного электричества — спрайты. Они возникают на высоте 70-85 километров в электрическом поле, которое образуется после сильного удара молнии в землю, когда разряжается нижняя часть облака. Из космоса увидели голубые джеты и гигантские джеты — электрические разряды большой протяженности. Они зарождаются на верхушках грозовых туч и достигают высоты 90 километров.
В 1991 году американские спутники зафиксировали во время гроз всплески гамма-квантов, то есть жесткого рентгеновского излучения. Эти данные сразу засекретили, решив, что где-то проходят наземные ядерные испытания. Через три года, убедившись, что источником излучения были грозы, результаты наблюдений опубликовали.

"Такие энергетичные кванты редко приходят на Землю даже от солнечных вспышек. Получается, что облако выступает ускорителем элементарных частиц, а именно — электронов и, может быть, позитронов. Эта область получила название атмосферной физики высоких энергий", — говорит Александр Костинский.

В 2000-х выяснилось, что внутри облака на высоте порядка десяти километров образуются источники радиоизлучения гораздо более мощные, чем сопровождают молнии. Длятся они всего несколько микросекунд. Их назвали компактными внутриоблачными разрядами. Общепринятой теории их появления пока нет.

По-прежнему не ослабевает интерес к электрическим разрядам в атмосфере других планет Солнечной системы. Получены снимки грозы на Юпитере и Сатурне, наблюдения в радиодиапазоне показали разряды на Уране и Нептуне. Вопрос с Венерой пока остается открытым. А вот на Марсе и Титане грозы не бывает.

По словам Костинского, наука о молниях сейчас переживает настоящий бум. Ведь грозы, молнии — очень опасные, разрушительные природные явления. Кроме того, перед учеными стоят практические задачи — защищать от атмосферных разрядов людей и животных, сооружения, ветряки, летательные аппараты.