Ученые приблизились к разгадке молний и неожиданно нашли связь с космосом

Молнии сопровождают человечество тысячелетиями. Древние греки считали их оружием богов, в скандинавской мифологии они были связаны с Тором, а в Китае гром ассоциировали с божественным наказанием. Однако даже современная наука до сих пор не имеет полного объяснения того, как именно возникает молния. Об этом пишет Quanta magazine.

Смотрите также Почему листья осенью становятся красными и желтыми – ученые объяснили скрытую "химию" деревьев

Почему молния до сих пор остается загадкой?

Долгое время физики считали, что механизм хорошо понятен. Еще после знаменитого эксперимента Benjamin Franklin в 1752 году ученые связали молнию с электричеством. Считалось, что процесс в грозовом облаке работает так же, как электрическая искра между двумя металлическими шарами в лаборатории – только в значительно больших масштабах.

Когда электрическое поле становится достаточно сильным, оно начинает вырывать электроны из атомов воздуха. Возникает лавина заряженных частиц, воздух нагревается и превращается в плазменный канал, который мы видим как молнию.

Физики рассчитали, что для такого пробоя воздуха нужна напряженность поля примерно: E≈3×106 В/м

Однако в середине XX века исследователи начали запускать в грозовые облака ракеты, воздушные шары и другие приборы и обнаружили проблему. Реальные электрические поля в облаках оказались значительно слабее необходимого порога. Типичная гроза имеет лишь примерно десятую часть нужной силы поля.

Это создало фундаментальную загадку: если условий для возникновения молнии недостаточно, почему она вообще возникает?

Как грозы связали с гамма-излучением?

Ситуация резко изменилась в 1994 году, когда спутник NASA, предназначенный для наблюдения за космическими взрывами, внезапно зафиксировал гамма-вспышки, исходившие прямо из грозовых облаков.

Гамма-излучение обычно ассоциируется со сверхновыми звездами, нейтронными звездами или черными дырами. Увидеть его в обычной земной грозе было неожиданно.

Именно тогда астрофизик Joseph Dwyer, который до того изучал солнечные вспышки с помощью спутника NASA Wind, обратил внимание на молнии во Флориде. По его словам, однажды за окном буквально "был бум, бум, бум", после чего он понял, что молния на самом деле является нерешенной научной проблемой.

Двайер обратился к теориирелятивистских электронов", которую ранее предложил лауреат Нобелевской премии Чарльз Уилсон. Суть идеи заключается в том, что электроны, которые движутся почти со скоростью света, могут практически не чувствовать сопротивления воздуха и начинать неконтролируемо ускоряться.

Позже российский физик Aleksandr Gurevich предположил, что такие "убегающие" электроны могут создавать каскады частиц длиной в сотни или даже тысячи метров.

Что происходит внутри грозового облака?

По теории Двайера, внутри грозовых облаков запускается настоящая субатомная лавина.

Один высокоэнергетический электрон сталкивается с атомом воздуха и излучает гамма-квант. Тот в свою очередь может породить электрон и позитрон – античастицу электрона. Электрическое поле облака разгоняет эти частицы, запуская новые каскады.

В результате возникает цепная реакция, которая резко усиливает электрическое поле внутри грозы. Сам Двайер сравнил этот процесс с микрофоном возле динамика: "Все очень быстро становится чрезвычайно громким". Компьютерные симуляции показали, что такая модель способна объяснить и гамма-вспышки, и рост электрического поля до уровня, необходимого для образования молнии.

Что показала миссия NASA ALOFT?

Настоящий прорыв произошел в 2023 году во время миссии NASA ALOFT. Исследователи установили детекторы гамма-излучения на высотный самолет ER-2 и начали летать прямо над мощными тропическими грозами в Карибском регионе, Мексиканском заливе и Центральной Америке.

Результаты оказались неожиданными.

Грозовые облака буквально светились гамма-излучением. Кроме крупных вспышек, исследователи обнаружили слабые мерцания, которые ранее были невидимы для спутников.

Особенно важным стало то, что характер этих мерцаний почти точно совпал с прогнозами компьютерных моделей Двайера. Это стало одним из сильнейших доказательств того, что внутри гроз действительно происходят релятивистские лавины частиц.

Атмосферный физик Caitano da Silva заявил: "В научном сообществе растет консенсус относительно того, что высокоэнергетические процессы играют критическую роль в запуске молнии".

Могут ли молнии запускать космические лучи?

Несмотря на успехи новой теории, окончательного ответа физики пока не имеют. В 2025 году исследователь Xuan-Min Shao зафиксировал странную особенность молний в пустыне Нью-Мексико. Анализ радиоволн показал, что начальное направление развития молнии иногда не совпадает с направлением электрического поля в облаке.

Это может свидетельствовать о внешнем воздействии. Одна из самых смелых гипотез предполагает, что молнию могут запускать космические лучи – потоки частиц, которые возникают во время взрывов сверхновых звезд, активности черных дыр или других катастрофических событий во Вселенной.

Когда такая частица врезается в атмосферу Земли, она создает каскад электронов и позитронов, который потенциально способен инициировать молнию даже в слабом электрическом поле. Физик David Smith назвал эти данные "чрезвычайно убедительными". В то же время другие исследователи призывают не спешить с выводами, ведь механизм еще недостаточно изучен. Сам Двайер отметил, что если эта теория подтвердится, то "каждая молния будет физически связана с умирающей звездой где-то в галактике".

Почему загадка молний еще далека от разгадки?

Несмотря на десятилетия исследований, молнии становятся только более загадочными. Новые радиотелескопы в Нидерландах уже показали, что отдельные ветви молний движутся с разной скоростью, образуют странные "иглы" и ведут себя не так, как прогнозируют классические модели.

Физики все больше склоняются к мысли, что молния не имеет одного универсального механизма возникновения. В разных грозах могут работать разные процессы – от ледяных кристаллов до каскадов релятивистских частиц и космических лучей. И чем ближе наука подходит к ответу, тем сложнее становится сама загадка.