В исследовании, опубликованном 28 июля в Journal of Geophysical Research, авторы описали, как они определили, что сильные электрические поля в грозовых облаках ускоряют электроны, которые врезаются в молекулы, такие как азот и кислород, производя рентгеновские лучи и инициируя поток дополнительных электронов и фотонов высокой энергии - идеальный шторм, из которого вырываются молнии. рождаются.

"Наши результаты дают первое точное количественное объяснение того, как в природе возникает молния", - сказал Пасько. "Это связывает точки соприкосновения между рентгеновскими лучами, электрическими полями и физикой электронных лавин".

Команда использовала математическое моделирование, чтобы подтвердить и объяснить полевые наблюдения фотоэлектрических явлений в атмосфере Земли - когда электроны с релятивистской энергией, которые засеваются космическими лучами, попадающими в атмосферу из космоса, размножаются в грозовых электрических полях и испускают короткие высокоэнергетические фотонные всплески. Это явление, известное как земная гамма-вспышка, включает в себя невидимые, возникающие в природе всплески рентгеновского излучения и сопровождающие их радиоизлучения.

"Смоделировав условия с помощью нашей модели, которая воспроизводила условия, наблюдаемые в полевых условиях, мы предложили полное объяснение рентгеновского излучения и радиоизлучения, которые присутствуют в грозовых облаках", - сказал Пасько. "Мы продемонстрировали, как электроны, ускоряемые сильными электрическими полями в грозовых облаках, производят рентгеновские лучи, когда они сталкиваются с молекулами воздуха, такими как азот и кислород, и создают лавину электронов, которые производят фотоны высокой энергии, инициирующие молнию".

Заид Первез, докторант в области электротехники, использовал модель для сопоставления полевых наблюдений, собранных другими исследовательскими группами с использованием наземных датчиков, спутников и высотных самолетов-разведчиков, с условиями в смоделированных грозовых облаках.

"Мы объяснили, как происходят фотоэлектрические события, какие условия должны быть в грозовых облаках, чтобы инициировать каскад электронов, и что вызывает большое разнообразие радиосигналов, которые мы наблюдаем в облаках перед ударом молнии", - сказал Первез. "Чтобы подтвердить наше объяснение возникновения молнии, я сравнил наши результаты с предыдущим моделированием, исследованиями наблюдений и моей собственной работой по типу молний, называемому компактными межоблачными разрядами, которые обычно происходят в небольших локализованных областях грозовых облаков".

Опубликованная Пасько и его сотрудниками в 2023 году модель "Фотоэлектрический разряд с обратной связью" имитирует физические условия, в которых, вероятно, возникнет разряд молнии. Уравнения, использованные для создания модели, доступны в статье для других исследователей, которые могут использовать их в своей собственной работе.

В дополнение к раскрытию инициации молнии исследователи объяснили, почему земные вспышки гамма-излучения часто возникают без вспышек света и радиовсплесков, которые являются знакомыми признаками молнии во время штормовой погоды.

"В нашем моделировании рентгеновские лучи высокой энергии, создаваемые релятивистскими электронными лавинами, генерируют новые затравочные электроны, приводимые в движение фотоэлектрическим эффектом в воздухе, быстро усиливая эти лавины", - сказал Пасько. "В дополнение к тому, что эта безудержная цепная реакция производится в очень компактных объемах, она может протекать с сильно изменяющейся силой, часто приводя к обнаруживаемым уровням рентгеновского излучения, сопровождаясь при этом очень слабым оптическим и радиоизлучением. Это объясняет, почему эти вспышки гамма-излучения могут возникать из областей источника, которые кажутся оптически тусклыми и радиомолчащими".

Помимо Паско и Первеза, соавторами являются Себастьен Селестен, профессор физики в Университете Орлеана, Франция; Энн Бурдон, директор по исследованиям в Политехнической школе, Франция; Реза Джанализаде, специалист по ионосфере в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА и бывший аспирант Паско в Пенсильванском университете; Ярослав Янски, доцент кафедры электротехники и связи Технологического университета Брно, Чешская Республика; и Пьер Гурбен, аспирант кафедры астрофизики и физики атмосферы Датского технического университета.

Национальный научный фонд США, Национальный центр космических исследований (CNES), Университетский институт Франции и Министерство обороны Чешской Республики поддержали это исследование.