Считается, что в каждую секунду в поверхность нашей планеты ударяет около 50 молний, однако ученым еще многое предстоит узнать об этих невероятно энергичных всплесках энергии. Вопрос, почему молния зигзагообразна волнует исследователей уже давно. И похоже ученые из Австралии нашли этому объяснение. Они считают, что столкновения между электронами и молекулами вещества формируют последовательности так называемых "ступени".

Ученые заявили, что решили давнюю загадку о механизмах формирования молний. Depositphotos

За последние пять с лишним лет исследователи получили ряд интереснейших открытий в области изучения молний. В частности, было обнаружено, что гамма-излучение, возникающее при подобных явлениях, может порождать в воздухе антиматерию. Кроме того, были получены доказательства того, что электромагнитное поле молнии может оказывать защитное действие на живые клетки, а также продемонстрированы потрясающие кадры, снятые высокоскоростными камерами, на которых видно, как ветви молнии вырываются из облаков.

Хотя наши знания об этих атмосферных явлениях постоянно пополняются, физика ударов молнии и череда событий, лежащая в их основе, остаются неясными. Вопрос о том, почему молнии выходят из облаков и движутся к Земле зигзагами, озадачивал ученых на протяжении многих столетий. Недавно доктор Джон Лоуке, физик плазмы из Университета Южной Австралии, предложил наиболее достоверное объяснение.

"Существует несколько учебных пособий по молниям, но ни одно из них не объясняет, как образуются зигзаги (так называемые ступени). Почему электропроводящая полоса, соединяющая эти ступени с облаком, остается темной, и как молния может распространяться на километры", - говорит Лоуке.

Когда молния вырывается из грозового облака, она делает это зигзагообразными ступенями протяженностью порядка 50 метров. Зигзаг ярко вспыхивает на крошечную долю секунды, затем гаснет и формируется новая ступенька. Эти этапы повторяются один за другим, пока молния не достигнет Земли, и, хотя они практически невидимы невооруженным глазом, высокоскоростная фотография позволила ученым задокументировать эту драматическую цепочку электрических разрядов.

Но почему эти ступеньки выстраиваются подобным образом, и как можно объяснить непрерывную электрическую связь, если на пути разряда молнии возникают кратковременные промежутки темноты? В недавно опубликованном исследовании Лоуке и его коллега Эндре Сили объясняют этот эффект так называемыми синглет-дельта метастабильным состоянием молекул кислорода. Такие высокоэнергетические молекулы образуются, когда электроны сталкиваются с молекулами кислорода, заставляя их отделяться и перераспределять электрическое поле. 

Why does lightning move in zigzags? Scientists have finally found the answer to that question. Shutterstock

В результате образуется проводящая "линия", которая поддерживает связь с облаком по мере того, как ступени прокладывают путь к земле, даже в тот момент, когда наступает кратковременная темнота.  Таким образом, в результате возбуждения молекул кислорода они переходят в "метастабильное" состояние. При достаточно высокой концентрации таких молекул воздух способен проводить электричество.

"Таким образом, зигзаги молнии возникают по мере создания достаточного количества метастабильных состояний в момент отрыва значительного количества электронов", - пишет Лоуке в своей статье для The Conversation. "В темной части ступени плотность метастабильных состояний и электронов увеличивается. Через 50 миллионных долей секунды ступенька начинает проводить электричество, при этом электрический потенциал на ее вершине увеличивается до потенциала облака и образуется еще одна ступенька".

По мнению ученых, более глубокое понимание природы молний позволит разработать более эффективные способы защиты строений, летательных аппаратов и людей. Первый молниеотвод, был изобретён в 1752 году эрудитом Бенджамином Франклином. Это устройство до сих пор остаётся нашей основной мерой защиты и работает за счёт "притягивания" молнии и заземления её электрического заряда. Закрепленные на вершине здания, металлические стержни предохраняют конструкцию от повреждений. Однако более глубокое понимание механизмов формирования молний может привести к появлению новых инструментов для защиты окружающей среды.

"Нам необходимо понять, как именно возникают молнии, чтобы мы могли разработать способы лучшей защиты зданий, самолетов, небоскребов, старинных храмов и людей", - говорит д-р Лоуке.

Результаты исследования были опубликованы в журнале Journal of Physics D: Applied Physics.

Источники и ссылки: The Conversation, University of South Australia, Journal of Physics D: Applied Physics, Journal New Atlas
1. (https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6463/aca103)
2. (https://newatlas.com/environment/lightning-zigzag-excited-molecules-mystery/)
3. (https://theconversation.com/why-does-lightning-zigzag-at-last-we-have-an-answer-to-the-mystery-195549)
4. (https://www.unisa.edu.au/media-centre/Releases/2022/physicist-strikes-gold-solving-50-year-lightning-mystery/)