Всяка мълния пуска невидим гост от космоса: учените обясниха основния механизъм на небесния огън
Мълнията е едно от най-величествените и страшни естествени феномени. В продължение на хилядолетия тя е вдъхновявала легенди и разнообразни митове и е предизвиквала благоговение. През последните епохи науката съумя да разбере сносно общата физика на разряда: натрупването на статично електричество в облаците, разделянето на зарядите и най-после гигантската искра, която пронизва въздуха. Но един въпрос остана без отговор, като досадно бяло леке на картата на познанието: какво тъкмо съставлява „ спусъкът “? Кое събитие в хаоса на гръмотевичния облак дава първия подтик, трансформирайки евентуалната сила в блестящ разряд?
Неотдавна група физици, ръководена от Виктор Паско от Университета в Пенсилвания, наподобява са намерили отговора. Тяхната работа не е просто следващото конкретизиране, а фундаментално пояснение на първия, неосезаем миг от живота на мълнията.
Спираща дъха мощна гръмотевична стихия над океана в Еспосенде, Португалия Защо небето не искри непрекъснато? Мистерията на „ първия електрон “
За да разберем смисъла на това изобретение, би трябвало да осъзнаем какъв е бил главният проблем. Буреносният облак всъщност е великански кондензатор. В него има големи електрически полета, само че, колкото и да е необичайно, единствено тяхната мощ нормално не е задоволителна, с цел да се „ откъснат “ просто по този начин електроните от молекулите на въздуха (предимно азот и кислород) и да стартира разряд. Въздухът е отличен изолатор. За да се пробие той, ви е нужен някакъв подтик, някакъв тип „ зараждащ “ развой, който да сътвори условия за пробив.
Учените от дълго време допускат, че за това е належащо някакво локално увеличаване на полето, може би към ледени кристали или водни капки. Но нито една от тези теории не може да изясни изцяло и количествено по какъв начин от тази микроскопична нехомогенност се ражда лавина, способна да генерира разряд с дължина километри. Липсва едно основно звено.
(а) Схема на едноизмерната област за моделиране. (b) Приложено електрическо поле E / δ. (c) Приложена компактност на заряда ρ / δ². (d) Редуцирана компактност на броя на бягащите електрони n_r / δ². (e) Ток I. (f) Настояща числена компактност n / δ² на електроните (e, плътна линия), позитивните (p, прекратена линия) и негативните (n, прекратена линия) йони Космическият посетител и лавината в облаците
И не щеш ли в този момент проучването на екипа на Паско предлага елегантно и цялостно пояснение. Всичко стартира не в самия облак, а надалеч оттатък Земята.
Стъпка 1: Космически „ посев “Виновникът за празника, колкото и да е необичайно, е галактически лъч – високоенергийна парченце, пристигнала от дълбините на Космоса. Врязвайки се в горните пластове на атмосферата, тя генерира каскада от вторични частици, измежду които има електрони с релативистични сили, т.е. ускорени съвсем до скоростта на светлината. Тези електрони, сходно на инцидентни семена, се трансферират в гръмотевичните облаци.
Стъпка 2: Ускорение и първи конфликт. След мощното електрическо поле на гръмотевичния облак този „ галактически “ електрон получава голямо ускоряване. Той се устремява през облака и неизбежно се сблъсква с молекула въздух. Този конфликт е толкоз мощен, че провокира краткотрайна мълния от рентгенови лъчи и избива още електрони от молекулата.
Стъпка 3: Верижна реакция. И тогава стартира занимателната част. Процесът става самоподдържащ се.
Новоизбитите електрони също се форсират от полето и на собствен ред се сблъскват с други молекули, избивайки още повече електрони. В същото време се появяват рентгенови лъчи (които всъщност са високоенергийни фотони). Чрез фотоелектричния резултат те също избиват електрони от молекулите на въздуха.
(а) Редуцираният миг на тока I L δ, като се илюстрира и относителният принос към общия ток на електроните, e; релативистичните електрони, re; и йоните, i. (b) Интензитет на излъчването на гама-лъчи I_γ. На графиките (c) и (d) са показани съответните производни на времето d/dt(IL) за случаите, показани на графиките (a) и (b) (тези величини не се мащабират според от налягането на въздуха) Възниква това, което учените назовават фотоелектричен разряд с противоположна връзка. Това е същинска верижна реакция, сходна на снежна лавина: един електрон генерира няколко, тези – още повече, и за част от секундата в дребен размер на облака се образува компактен съсирек от високоенергийни частици. Това към момента не е самата гръмотевица, само че към този момент е идеален, йонизиран „ кулоар “, през който скоро ще се втурне главният разряд.
„ Нашите открития свързват рентгеновите лъчи, електрическите полета и физиката на електронните лавини “, изяснява Виктор Паско.
По създание екипът му е описал прекомерно труднодоловимия механизъм, който трансформира един облак от елементарен притежател на заряд в деен генератор на мълнии.
Невидимите светкавици: разгадаване на още една мистерия
Новият модел е оказал помощ да се изясни и друго мистериозно събитие – по този начин наречените земни гама-изблици (TGFs). Това са мощни, само че доста къси прояви на гама и рентгенови лъчи, предавани от буреносните облаци, които се засичат от спътниците. Странното е, че доста от тези експлоадирания наподобява не са съпроводени от забележими светкавици или радиосигнали. Те ca „ оптически едва изразени и беззвучни “.
Моделът на Паско и сътрудниците му сподели за какво това е по този начин. Описаната нагоре верижна реакция може да има друга активност. Понякога тя е задоволително мощна, с цел да провокира откриваем рентгенов или гама-изблик, само че угасва, без да набере задоволително мощност, с цел да образува пълностоен гръмотевичен канал. Това е като да стартирате мотор, който реве мощно, само че по този начин и не задвижва колата. Сега разбираме, че тези „ тихи “ светкавици не са настрана събитие, а в действителност „ провалена “ гръмотевица, замръзнала в най-ранния стадий от своето възникване.
Концептуално показване на изискванията, нужни за прехода от бърз позитивен пробив (FPB) към бърз негативен пробив (FNB), въз основа на връзката сред прага на релативистичната противоположна връзка E₀ / δ и минималните полета на разпространяване на негативните потоци E-_cr / δ. От уравненията към действителността
За да стигнат до тези изводи, учените не изпратиха сонди посред гръмотевична стихия. Основният им инструмент беше математическото моделиране. Докторантът Заид Первез употребява комплицирана система от уравнения, описващи всички тези процеси, с цел да пресъздаде изискванията в мълниеносен облак благодарение на компютър.
След това резултатите от симулацията бяха съпоставени с голямо количество действителни данни, събирани в продължение на доста години от наземни датчици, спътници и даже разследващи самолети на огромна височина. И всичко съответства. Моделът освен тъкмо предвижда появяването на рентгенови лъчи и електронни каскади, само че и изяснява разнообразието от радиосигнали, които се засичат в облаците директно преди удара на мълнията.
Това изобретение е превъзходен образец за това по какъв начин фундаменталната просвета, оперираща с уравнения и модели, ни оказва помощ да разберем света към нас. Следващия път, когато видите мълния в небето, си спомнете, че секунда преди този величествен театър в облаците се е разиграла невидима драма: уединен електрон, роден от далечна звезда, е провокирал лавина, която е осветила небето.
