Российские ученые Александр Гуревич и Анатолий Карашин представили экспериментальные подтверждения неожиданного факта: в формировании грозовых разрядов принимают участие космические лучи, то есть заряженные частицы из космоса. Несмотря на то что электрическая природа молнии была установлена еще Бенджамином Франклином в XVIII веке, относительно процессов формирования самого электрического разряда в атмосфере остается множество загадок.

Первым природу молний объяснил американский ученый, журналист и политический деятель Бенджамин Франклин в 1752 году. Во время грозы он запустил воздушного змея с прикрепленным к шнуру металлическим ключом и увидел, как от ключа разлетаются искры. Франклин заключил, что молния — это электрический разряд, возникающий между облаками и Землей.

Рис. 1.

Существует множество типов молний: бьющие из облака в землю, из облака в другое облако, внутри одного облака. Бывают более редкие: бьющие из облака наверх сверхмолнии, шаровые, голубые струи и красные спрайты. И это далеко не полный список.

Рис. 2.

Средняя длина молнии — 2,5 километра, но может доходить и до 20 километров. Сила тока в молнии достигает сотен тысяч ампер, а напряжение — миллионов вольт. Чаще всего молнии возникают в кучевых облаках — именно такие молнии называются грозовыми. Иногда молния образуется в слоисто-дождевых облаках, а также при вулканических извержениях, торнадо и пылевых бурях.

Рис. 3.

Молния — это, по сути, пробой между регионами (облаком и землей или же разными частями одного и того же облака) с достаточно большой разницей потенциалов. Источником этой разницы является трение мельчайших капелек и льдинок, из которых состоит облако. У этой теории, впрочем, есть слабое место: расчетная разница потенциалов для такого пробоя на порядок меньше реально наблюдаемого. Напряженность поля в облаке, например, в среднем составляет 400 киловольт на метр — при расчетной 2,5 тысячи киловольт на метр.

Рис. 4.

В начале 1990-х годов российский физик Александр Гуревич предложил объяснение этому явлению: по его мнению перед возникновением молнии запускается процесс пробоя на убегающих электронах (ПУЭ). Он заключается в лавинообразном размножении в атмосфере в присутствии магнитного поля электронов с высокими — до одного мегаэлектронвольта — энергиями. Эти электроны создают канал, который молния использует для разряда.

Рис. 5.

Затравкой пробоя на убегающих электронах являются космические лучи — потоки заряженных частиц из космоса. Совсем недавно Гуревич и Карашин нашли подтверждение этой гипотезы, проанализировав данные о 3,8 тысячи грозовых разрядов над Россией и Казахстаном.

Рис. 6.

Согласно теории, каждому удару молнии предшествует особый электромагнитный импульс в радиодиапазоне. Именно эти импульсы ученым и удалось обнаружить в нескольких сотнях случаев. По их мнению, это служит доказательством того, что теория Гуревича верна.

Рис. 7.

Примечательно, что теория Гуревича позволяет объяснить так называемые темные молнии — гамма-всплески, которые сопровождают каждый удар молнии. Совсем недавно норвежским исследователям удалось доказать, что такого рода темные молнии являются неотъемлемыми спутниками именно грозовых разрядов. Ранее считалось, что они могут возникать в ходе других процессов в грозовых облаках.

Рис. 8.

По теории Гуревича, такие гамма-всплески возникают как следствие столкновения разогнанных до околосветовой скорости в результате эффекта ПУЭ электронов с каплями воды или градинами в облаке. Примечательно, что излучение, возникающее в таком процессе, довольно мощное — один разряд облучает пассажиров пролетающего рядом самолета дозой, эквивалентной 10 флюорографическим обследованиям.

Рис. 9.

Слабым местом теории Гуревича является то, что в первоначальных расчетах фигурировали космические лучи достаточно высокой энергии. Такие частицы встречаются намного реже, чем случаются грозы.

Рис. 10.

В новой работе Алексндру Гуревичу и Анатолию Карашину удалось разрешить эту проблему. Они считают, что дополнительную энергию процессу сообщают свободные электроны, пролетающие рядом с каплями или градинами.

Рис. 11.

При попадании молнии в землю происходит спекание оксида кремния, что приводит к формированию особой породы — фульгурита. Наука, изучающая молнии, называется фульминология (fulminology). Боязнь молний называется астрафобией.

Рис. 12.