Блискавки супроводжують людство тисячоліттями. Давні греки вважали їх зброєю богів, у скандинавській міфології вони були пов'язані з Тором, а в Китаї грім асоціювали з божественним покаранням. Проте навіть сучасна наука досі не має повного пояснення того, як саме виникає блискавка. Про це пише Quanta magazine.
Дивіться також Чому листя восени стає червоним і жовтим – вчені пояснили приховану "хімію" дерев
Чому блискавка досі залишається загадкою?
Довгий час фізики вважали, що механізм добре зрозумілий. Ще після знаменитого експерименту Benjamin Franklin у 1752 році науковці пов'язали блискавку з електрикою. Вважалось, що процес у грозовій хмарі працює так само, як електрична іскра між двома металевими кулями у лабораторії – лише у значно більших масштабах.
Коли електричне поле стає достатньо сильним, воно починає виривати електрони з атомів повітря. Виникає лавина заряджених частинок, повітря нагрівається і перетворюється на плазмовий канал, який ми бачимо як блискавку.
Фізики розрахували, що для такого пробою повітря потрібна напруженість поля приблизно: E≈3×106 В/м
Однак у середині XX століття дослідники почали запускати у грозові хмари ракети, повітряні кулі та інші прилади й виявили проблему. Реальні електричні поля у хмарах виявились значно слабшими за необхідний поріг. Типова гроза має лише приблизно десяту частину потрібної сили поля.
Це створило фундаментальну загадку: якщо умов для виникнення блискавки недостатньо, чому вона взагалі виникає?
Як грози пов'язали з гамма-випромінюванням?
Ситуація різко змінилась у 1994 році, коли супутник NASA, призначений для спостереження за космічними вибухами, раптово зафіксував гамма-спалахи, що виходили прямо з грозових хмар.
Гамма-випромінювання зазвичай асоціюється з надновими зорями, нейтронними зорями або чорними дірами. Побачити його у звичайній земній грозі було несподівано.
Саме тоді астрофізик Joseph Dwyer, який до того вивчав сонячні спалахи за допомогою супутника NASA Wind, звернув увагу на блискавки у Флориді. За його словами, одного разу за вікном буквально "було бум, бум, бум", після чого він зрозумів, що блискавка насправді є нерозв'язаною науковою проблемою.
Двайер звернувся до теорії "релятивістських електронів", яку раніше запропонував лауреат Нобелівської премії Чарльз Вілсон. Суть ідеї полягає в тому, що електрони, які рухаються майже зі швидкістю світла, можуть практично не відчувати опору повітря і починати неконтрольовано прискорюватись.
Пізніше російський фізик Aleksandr Gurevich припустив, що такі "втікаючі" електрони можуть створювати каскади частинок довжиною у сотні або навіть тисячі метрів.
Що відбувається всередині грозової хмари?
За теорією Двайера, всередині грозових хмар запускається справжня субатомна лавина.
Один високоенергетичний електрон стикається з атомом повітря та випромінює гамма-квант. Той своєю чергою може породити електрон і позитрон – античастинку електрона. Електричне поле хмари розганяє ці частинки, запускаючи нові каскади.
У результаті виникає ланцюгова реакція, яка різко посилює електричне поле всередині грози. Сам Двайер порівняв цей процес із мікрофоном біля динаміка: "Все дуже швидко стає надзвичайно гучним". Комп'ютерні симуляції показали, що така модель здатна пояснити і гамма-спалахи, і зростання електричного поля до рівня, необхідного для утворення блискавки.
Що показала місія NASA ALOFT?
Справжній прорив стався у 2023 році під час місії NASA ALOFT. Дослідники встановили детектори гамма-випромінювання на висотний літак ER-2 та почали літати просто над потужними тропічними грозами у Карибському регіоні, Мексиканській затоці та Центральній Америці.
Результати виявились несподіваними.
Грозові хмари буквально світились гамма-випромінюванням. Крім великих спалахів, дослідники виявили слабкі мерехтіння, які раніше були невидимі для супутників.
Особливо важливим стало те, що характер цих мерехтінь майже точно збігся з прогнозами комп'ютерних моделей Двайера. Це стало одним із найсильніших доказів того, що всередині гроз дійсно відбуваються релятивістські лавини частинок.
Атмосферний фізик Caitano da Silva заявив: "У науковій спільноті зростає консенсус щодо того, що високоенергетичні процеси відіграють критичну роль у запуску блискавки".
Чи можуть блискавки запускати космічні промені?
Попри успіхи нової теорії, остаточної відповіді фізики поки не мають. У 2025 році дослідник Xuan-Min Shao зафіксував дивну особливість блискавок у пустелі Нью-Мексико. Аналіз радіохвиль показав, що початковий напрямок розвитку блискавки інколи не збігається з напрямком електричного поля у хмарі.
Це може свідчити про зовнішній вплив. Одна з найсміливіших гіпотез припускає, що блискавку можуть запускати космічні промені – потоки частинок, які виникають під час вибухів наднових зір, активності чорних дір або інших катастрофічних подій у Всесвіті.
Коли така частинка врізається в атмосферу Землі, вона створює каскад електронів та позитронів, який потенційно здатний ініціювати блискавку навіть у слабкому електричному полі. Фізик David Smith назвав ці дані "надзвичайно переконливими". Водночас інші дослідники закликають не поспішати з висновками, адже механізм ще недостатньо вивчений. Сам Двайер зазначив, що якщо ця теорія підтвердиться, то "кожна блискавка буде фізично пов'язана з вмираючою зорею десь у галактиці".
Чому загадка блискавок ще далека від розв'язки?
Попри десятиліття досліджень, блискавки стають лише загадковішими. Нові радіотелескопи у Нідерландах уже показали, що окремі гілки блискавок рухаються з різною швидкістю, утворюють дивні "голки" та поводяться не так, як прогнозують класичні моделі.
Фізики дедалі більше схиляються до думки, що блискавка не має одного універсального механізму виникнення. У різних грозах можуть працювати різні процеси – від крижаних кристалів до каскадів релятивістських частинок і космічних променів. І що ближче наука підходить до відповіді, то складнішою стає сама загадка.