Планета Земля. Познакомьтесь с миром, который мы называем домом

Когда мы протягиваем руку к дверной ручке, отрицательно заряженные пальцы отталкивают электроны в этой ручке и ближайшая к руке сторона ручки оказывается положительно заряженной. Эти разделенные заряды генерируют электрическое поле, которое при достижении критического значения, равного 3 миллионам вольт на метр, вызывает пробой воздуха между рукой и дверной ручкой. Электроны отрываются от молекул в воздухе, и он превращается из изолятора в проводник. За долю секунды лишние электроны из нашего тела перетекают из пальцев через ионизированный воздух в дверную ручку. Это сопровождается довольно болезненным ощущением. Ой! – и электрический нейтралитет восстановлен.

Электрическое поле, возникающее во время грозы, тоже обязано своим происхождением трению, хотя причина его появления при грозе иная. В грозовых облаках мощные восходящие потоки уносят ледяные кристаллы в верхние слои, в то время как тяжелые градины падают на Землю. Трение между этими двумя встречными движениями лишает кристаллы льда электронов, поэтому верхняя часть облака становится положительно заряженной, а нижняя – отрицательно. В облаке создается электрическое поле, подобное тому, которое возникало между нашей рукой и дверной ручкой. Когда поле в грозовом облаке становится достаточно сильным и воздух ионизируется, результат поистине впечатляет. В поисках ближайшего положительного заряда электроны прорезают в воздухе ионизированные каналы – так называемые лидеры.

Рис. 6.8. Исследование вспышек молнии приводит к парадоксальным результатам.

Часто молния бьет из облака в землю – отрицательный заряд находит свой антипод на поверхности Земли. Тем не менее наиболее распространенным типом молнии является вспышка внутри облака, когда разряд бежит к положительно заряженной области в верхней части облака. В любом случае, как только один из этих лидеров достигнет области с противоположным зарядом, между двумя точками побежит электрический ток и возникнут вспышки молнии. Молния может разогреть канал, по которому она движется, до температуры, которая в пять раз выше температуры на поверхности Солнца.

Такова господствующая картина процессов, происходящих в молнии. Есть только одно но: несмотря на то, что с 1950-х годов мы посылали воздушные шары и летательные аппараты с приборами прямиком в грозовые тучи, до сих пор не удалось измерить электрическое поле с напряженностью 3 миллиона вольт на метр, которое необходимо для пробоя воздуха. Напряженность поля обычно в десять раз меньше этого значения – следовательно, молния, в отличие от обычной электрической искры, устроена по другому принципу.

Внеземная помощь

Решение этой проблемы может прийти откуда не ждали – из космоса. Каждую секунду миллиарды высокоэнергетических частиц врываются в нашу атмосферу. Столкновение одной из них с электроном во время грозы приведет к тому, что такой электрон получит дополнительную скорость. Пролетая сквозь облако, этот «убегающий» электрон ионизирует огромное количество молекул воздуха, создавая лавину из других высокоэнергетических электронов.

В результате может произойти внезапное накопление заряда, которое на короткое время усиливает локальное электрическое поле. Отдельные детали процесса еще нужно уточнить, но в целом кумулятивный эффект этого поля может зажечь молнию – возникает так называемый пробой на убегающих электронах. При этом исходное электрическое поле вовсе не обязано иметь напряженность 3 миллиона вольт на метр.

Эта идея получила поддержку в 1991 году, вскоре после того, как агентство НАСА запустило на орбиту Земли обсерваторию Комптон, предназначенную для исследования гамма-излучения. Это самое интенсивное излучение во Вселенной возникает, в частности, при взрыве звезд. Для ученых оказалось полнейшей неожиданностью, когда обсерватория обнаружила, что источником происхождения многих высокоэнергетических гамма-фотонов являются не далекие галактики, а грозы в земной атмосфере.

Рис. 6.9. Напряженность собственного электрического поля внутри грозы слишком мала, чтобы возникла вспышка молнии. Для усиления локального электрического поля могут быть задействованы два процесса.

Физики быстро сопоставили все факты. Поскольку ускоренные космическими лучами электроны перемещаются зигзагами между столкновениями с молекулами воздуха, они рождают не только дополнительные высокоэнергетические электроны, но и высокоэнергетические фотоны. Гамма-лучи являются признаком того, что происходит пробой на убегающих электронах.

Какой бы заманчивой ни казалась такая связь, это может быть простым совпадением: у нас нет прямых доказательств того, что все происходит именно так. Для подтверждения этого механизма необходимо найти способ заглянуть внутрь грозовых облаков.