Таинственные молнии «Суперболты» могут быть в 1000 раз сильнее обычных ударов

Трудно оторваться от драматического зрелища Летняя гроза— блестящие вспышки чистого электричества, за которыми последовал угрожающий грохот, шевелящийся в облаках. Но типичное явление молнии меркнет по сравнению с загадочным явлением, которое ученые назвали «суперболтами» — молнией, которая может быть в 1000 раз мощнее обычных ударов. Теперь учёные предлагают новый потенциал объяснение того, как образуются эти экстремальные молнии.

Каждую секунду, происходит до 100 грозовых разрядов во всем мире. Но суперболты гораздо сильнее и реже, составляя около одной тысячной процента всех ударов молний. Это явление было впервые записан в 1977 году группой спутников, которым поручено обнаруживать ядерные взрывы. Тогда исследователи заметили, что вспышки были в 100 раз интенсивнее обычных молний и длились вдвое дольше, около одной миллисекунды.

Исследование 2019 года показало, что суперболты сосредоточены в трех конкретных регионах по всему миру — в северной части Атлантического океана, Средиземном море и Альтиплано в Южной Америке — и, как правило, достигает пика с ноября по февраль. В том же исследовании показано, что суперболты обычно поражают воду, а не землю, в отличие от того, где обычно появляются обычные молнии. «Мы увидели эту статью и начали думать: «Почему это происходит?» — говорит Авихай Эфраим, физик из Еврейского университета в Иерусалиме и ведущий автор нового исследования, которое было опубликовано в прошлом месяце в журнале Журнал геофизических исследований: Атмосфера.

Чтобы исследовать это явление, команда сопоставила данные о ударах из Всемирной сети определения местоположения молний (которая отслеживает удары с помощью очень низкочастотных или VLF-радиоприемников) с данными о свойствах штормов, которые вызвали молнию.

Объяснение, к которому пришли исследователи, связано с внутренней механикой грозы. Внутри турбулентных грозовых облаков происходит столкновение крошечных кристаллов льда и крупа— своего рода мягкие замороженные осадки — создают электрическое поле, известное как зона зарядки, где рождается молния. Положительно заряженные кристаллы льда притягиваются к вершине облака восходящими потоками — потоками восходящего воздуха. Отрицательно заряженная крупа тяжелее, поэтому падает к нижней части облака. Когда заряды становятся сильнее, электростатический разряд в конце концов пронзает воздух между ними, как молния. (Это также происходит между отрицательно заряженной нижней частью облака и положительно заряженной землей.)

Но суперболты, как показывают исследования команды, происходят, когда расстояние между зоной зарядки и поверхностью Земли меньше. «Наши глаза были широко открыты», — говорит Эфраим, описывая момент, когда он увидел результаты. «Это было очень ясно».

Однако это открытие все еще не описывает причинно-следственную связь. Чтобы объяснить, почему расстояние может играть роль, Эфраим сравнивает это явление с конденсатором — электронным компонентом, который хранит энергию в таких устройствах, как радиоприемники, проекторы и холодильники.. «Есть две заряженные пластины и между ними какой-то материал или воздух», — объясняет он. По словам Эфраима, когда эти пластины расположены слишком близко, электрическое поле может становиться все сильнее и сильнее, становясь более проводящим, а если что-то подобное происходит в облаках, возникает более сильная молния.

Результаты Эфраима дополняют объем исследований и множество теорий, которые пытаются объяснить сверхвысокую энергию суперболтов. Одна теория предполагает, что большие разница между соленостью воды и почва приводит к более высокой энергии молнии. В новой статье Эфраим и его соавторы утверждают, что эта теория не объясняет, почему разная соленость Атлантики и Средиземного моря приводит к одинаковому количеству суперболтов. Две другие теории связывают аэрозоли с пустынные районы или морские брызги для облачного оживления и усиленной электрификации. Но они объясняют явления только в конкретных регионах, а не в глобальном масштабе.

Эфраим говорит, что объяснение его команды применимо к большему количеству мест, где происходят суперболты, но он и его коллеги не смогли подтвердить, что оно объясняет ситуацию вокруг экватора и северной части Тихого океана. «Осталось еще много открытых вопросов», — говорит Нингю Лю, профессора физики и астрономии Университета Нью-Гэмпшира, который не участвовал в новом исследовании. Он отмечает, что объяснение исследования работает для суперболтов, возникающих в северо-восточная часть Атлантического океана и Средиземное море, но не в других местах. «Почему эти два региона так отличаются от других регионов по воде?» — спрашивает Лю.

Майкл ПетерсонУченый-атмосферник из Национальной лаборатории Лос-Аламоса, который не участвовал в новом исследовании, предположил, что самые яркие суперболты, видимые из космоса, возникают в результате положительно заряженных электростатических импульсов от облака к земле, по сравнению с отрицательно заряженными электростатическими импульсами от облака к земле. события, которые чаще вызывают стандартные удары молний.

Петерсон утверждает, что новое исследование не выявило молний, ​​соответствующих нынешнему пониманию суперболтов. В исследовании 2019 года суперболты, наблюдаемые с наземных ОНЧ-радаров, подобные тем, что были в недавнем исследовании Эфраима и его коллег, по-видимому, исходили из в основном отрицательно заряженные события между облаком и землей. Петерсон говорит, что это более раннее открытие послужило ключом к тому, что инструменты, измеряющие разные длины волн электромагнитного спектра, обнаруживали разные виды молний. «Итак, мы имеем дело с похожим, но в то же время другим явлением молний», — говорит он.

Петерсон хотел бы, чтобы новые результаты были подтверждены измерениями электрического поля, а также микрофизическими измерениями с помощью метеорологических радаров, чтобы лучше понять, как поведение заряженных осадков приводит к возникновению молний. При таких измерениях «я с большей вероятностью поверю теории, особенно если есть подтверждающие данные над Андами, а не над океанами средних широт», — говорит он. Типы штормов, вызывающих суперболты, обычно случаются над океанами, где расстояние между зарядной зоной и поверхностью больше, чем над горными хребтами. Петерсон говорит, что это предполагает, что причиной может быть физика, а не высота над поверхностью Земли. Тем не менее, он добавляет, что новые результаты интересны и являются шагом вперед в понимании типов физики молний.

В ответ на критику выводов новой статьи Эфраим отмечает, что «существовало много теорий относительно того, что вызывает появление этих суперболтов, и я думаю, что эта — самая сильная».

Но он и его коллеги планируют глубже разобраться в этой проблеме, в частности, сосредоточив внимание на суперболтах вокруг экватора. «Нам придется углубиться в данные, — говорит Эфраим, — и попытаться выяснить, что происходит в других регионах, которые не обязательно соответствуют нашему объяснению».