На нашей планете ежедневно случается множество гроз. Чаще всего они наблюдаются летом. Каждую секунду в землю ударяет около ста электрических разрядов. И всё же мы на удивление мало знаем о молниях. Ясно, что это природные электрические разряды между облаками и Землей и внутри облаков, по сути искры, состоящие из заряженных частиц, пробивающихся сквозь воздух. Их сложно изучать, поскольку невозможно предсказать, где и когда будет следующий разряд. Так какие же загадки этого естественного явления еще ожидают своего раскрытия? 

 

 

Молнии бывают красными, оранжевыми, лиловыми или зелеными и, по свидетельствам очевидцев, способны проходить сквозь оконное стекло. 

Космические истоки? 
Молнии могут инициироваться из Космоса 

Исследователи до сих пор не уверены относительно точных причин, вызывающих молнию, но есть две основные теории. Наиболее популярная говорит об электризации трущихся между собой частиц льда или воды внутри грозового облака. При формировании грозового фронта падающие льдинки встречают на своем пути более теплые водяные капли. При их взаимодействиях электроны отрываются от капель и переходят на льдинки, из-за чего вода в верхней части облака заряжается положительно, а лёд в нижней — отрицательно. 

У границы грозового облака нарастает напряженность электрического поля, которое провоцирует небольшие разряды. Каким-то образом эти небольшие разряды сливаются и образуют более сильные, которые в конце концов формируют лидер — мощную искру.
 

Лидер движется сквозь воздух со скоростью около  100 км/с, его температура может достигать 30 000 °C — это в пять раз выше, чем на поверхности Солнца, уверяет Крис Стоун (Chris Stone) из Лаборатории по изучению молний им. Моргана и Ботти в Кардиффском университете (Великобритания). 

Другую теорию именуют пробоем на убегающих электронах, и она предполагает совершенно новое физическое явление. Электрический разряд вызывается высокоэнергичными частицами, известными как космические лучи. По большей части это протоны, которые выбрасываются при таких катастрофических событиях, как вспышки сверхновых. Прилетая из космоса, эти частицы врезаются в верхние слои земной атмосферы и порождают широкие атмосферные ливни (ШАЛ) из множества заряженных и нейтральных частиц, скорость которых близка к световой. Ионизация, вызванная такими ливнями, может провоцировать разряды молний в грозовых облаках, даже если первоначальное электрическое поле облака не так велико, чтобы разряд произошел сам собой. 

Космические лучи от взрывающихся звезд, попадая в верхние слои земной атмосферы, могут провоцировать разряды молний 

Шаровая молния 
Летающие огненные сферы 

Эти странные сгустки электричества рождаются во время мощных гроз и выглядят как светящиеся шары и груши. Они бывают желтыми, белыми, красными, оранжевыми, лиловыми или зелеными и, по свидетельствам очевидцев, способны проходить сквозь оконное стекло, не оставляя отверстий. Сообщения о шаровых молниях известны с древнейших времен, но само явление оказалось чрезвычайно трудно изучить, поскольку эти шары появляется редко и непредсказуемо. 
В 2012 году впервые в истории шаровую молнию удалось качественно снять на видео. Группа китайских исследователей случайно сделала эту запись во время наблюдения грозы. Светящаяся сфера диаметром около 5 м неожиданно появилась при ударе молнии в землю. Она исчезла через 1,6 с, но ученые смогли зафиксировать спектр и сделать высокоскоростную съемку загадочного шара. 

Эти данные показали, что шаровая молния состоит в основном из кремния, железа и кальция — тех элементов, которых много в почве. Это подтверждает ранее выдвинутую теорию о том, что шаровые молнии обычно возникают как результат удара в землю обычный молнии, испаряющей частицы минералов и почвы. Тем не менее устройство шаровой молнии остается непонятным. 

 

Темные молнии 
Невидимые и мощные 

Не все молнии видимы. Иногда такой разряд может проявляться лишь неожиданным импульсом очень жесткого излучения. Эти выбросы энергии называются земными гамма-вспышками (ЗГВ). Обычно гамма-всплески обнаруживают в космосе, где они сопровождают коллапс звезд. Всплески, вызванные ЗГВ, в миллионы раз энергичнее вспышек света, которые мы видим при разряде молнии, и ученые знают о них по изучению, зарегистрированному во время гроз. 

Недавно исследователи предположили, что эти выбросы энергии вызваны так называемыми темными молниями — редким типом невидимых разрядов. Они могут быть намного мощнее обычных молний, но не образуют раскаленного канала и поэтому испускают мало света. 

Предполагается, что разряд темных молний подготавливается обычными молниями. «Полностью заряженное грозовое облако подобно взведенному пистолету. Обычная молния работает, как спусковой механизм, вызывая прохождение темной молнии, — объясняет Двайер, который предложил термин “темная молния”. — Запустившись, темная молния может разрядить облако быстрее обычных молний. Вероятно, темные молнии случаются примерно в тысячу раз реже обычных, но точно мы этого не знаем». 

Спрайты 
Светящиеся красные медузы 

Это одна из форм молний, возникающих в верхних слоях атмосферы у границы космического пространства. Их называют транзиентными (кратковременными) атмосферными явлениями (ТАЯ). Исследователи не знают точных причин ТАЯ, но наиболее широко распространено мнение о том, что это электрически возбужденная форма светящейся плазмы (ионизированного газа), которая обычно возникает при разряде мощной положительно заряженной молнии, бьющей из облака в землю (см. с. 79). 

Самый распространенный тип ТАЯ — это спрайты, вспышки ярко-красного света, которые наблюдаются над грозой на высоте около 80 км. Впервые их удалось сфотографировать в 1989 году, в дальнейшем их также снимали на видео с борта шатлла. Они возникают на долю секунды и могут быть замечены даже невооруженным глазом. Обычно спрайты напоминают светящихся красных медуз, возникающих прямо над грозовым облаком, но могут быть похожи и на морковку, ангела или брокколи с тянущимся вниз волокнами. 

 

Голубые джеты 
Стремительная пляска призрачных огней 

Эти голубые вспышки тянутся от верхнего края активного грозового облака до высоты 40–50 км. Они развивают скорость до 100 км/с, но длятся всего около четверти секунды. Их можно увидеть невооруженным глазом как огромные призрачные конусы света, расходящегося вверх от облаков в разгар грозы. Голубые джеты ярче спрайтов, но возникают гораздо реже и, по-видимому, не связаны непосредственно с разрядами молний. Исследователи считают, что их появление может быть вызвано сильным градом внутри грозового облака. 

Существование голубых джетов удалось подтвердить при изучении видеосъемки, сделанной с борта шаттла в 1989 году, но наблюдаются они очень редко. «Все подобные явления в верхней атмосфере остаются загадочными, — говорит Стоун. — Молнии непредсказуемы, и это делает затруднительным исчерпывающее объяснение того, как и почему они возникают. Несмотря на сотни лет научных исследований, они остаются одним из самых загадочных явлений природы». 

Эльфы 
Загадочные гало 

Название «эльфы» возникло от аббревиатуры ELVES, длинную расшифровку которой можно перевести как «испускание света с очень низкочастотными возмущениями вследствие электромагнитных пульсаций источника». Это тусклые красноватые гало электрического света, быстро разбегающиеся в горизонтальной плоскости у самой границы атмосферы. 

Считается, что эльфы возникают в результате чрезвычайно мощных импульсов электромагнитного излучения, которое испускается при некоторых разрядах молний. Когда такой поток энергии, распространяясь вверх, достигает нижних слоев ионосферы (самого верхнего слоя атмосферы), он заставляет светиться атмосферные газы. 

Эльфы такие же яркие, как и спрайты, но длятся всего лишь миллисекунды. Они возникают на высоте около 100 км над землей и могут распространяться во все стороны более чем на 300 км. Впервые эльфы наблюдались у побережья Французской Гвианы с борта шаттла в 1990 году. 

Исследователи предсказали существование эльфов до их первого наблюдения, рассчитав, что вспышки молний, вызывая нагрев в нижней части атмосферы, могут служить причиной такого излучения. 

 

Положительные молнии 
Шиворот-навыворот 

Большинство молний — отрицательные: они переносят отрицательный заряд от основания облака в сторону земли, которая находится прямо под ним. Однако иногда молнии начинаются от верхней части облака, где воздух заряжен положительно, и бьют в землю на некотором удалении, там, где заряд будет отрицательным относительно области прямо под облаком. 
Положительные молнии преодолевают очень большие расстояния, сила тока в них достигает 300 тыс. ампер, а напряжение, по словам Стоуна, может превосходить миллиард вольт: «Это значит, что положительная молния примерно в 10 раз мощнее отрицательной. Обычно она состоит только из одного разряда, тогда как в отрицательных молниях, как правило, бывает два и более разрядов». Считается, что из всех молний положительные составляют лишь около 5%. 
Положительные молнии преодолевают очень большие расстояния, а сила тока в них достигает 300 тыс. ампер 

Катя Москвич  — лауреат Европейской астрономической премии для научных журналистов