Считается, что удары молнии происходят почти 50 раз в секунду по всему миру, но еще многое предстоит узнать об этих невероятно мощных явлениях природы. Одна давняя загадка заключается в том, почему молния приобретает зигзагообразную форму, когда она вспыхивает в небе, и ученые теперь нашли объяснение, связывая его со столкновениями между электронами и молекулами, которые создают последовательность так называемых «ступенек».
Хотя наши знания об этих погодных явлениях продолжают улучшаться, физика ударов молнии и последовательность лежащих в их основе событий остаются неясными.
Вопрос о том, почему удары молнии исходят из облаков и следуют зигзагообразным путем вниз к Земле, озадачивал ученых в течение десятилетий, но теперь физик Джон Лоук из Университета Южной Австралии высказал то, что называют окончательным объяснением.
«Есть несколько учебников по молниям, но ни в одном из них не объясняется, как формируются зигзаги (называемые ступенями), почему электропроводящий столб, соединяющий ступени с облаком, остается темным и как молния может распространяться на километры», — говорит Джон Лоук.
Когда молния выходит из грозового облака, она делает это с шагом около 50 метров в длину. Она ярко вспыхивают на крошечную долю секунды, прежде чем погаснуть еще на долю секунды, прежде чем образуется еще одна ступенька и ярко вспыхивает в течение того же крошечного момента времени.
Эти шаги повторяются один за другим, пока молния не достигнет Земли, и, хотя она в значительной степени невидима невооруженным глазом, высокоскоростная фотография позволила ученым задокументировать «лестницу» электрических разрядов.
Но почему эти ступени формируются именно таким образом и как может существовать непрерывная электрическая связь, когда удары молнии претерпевают мимолетные мгновения темноты на своем пути?
В недавно опубликованном исследовании Джон Лоук и его коллега Эндре Сили связывают эффект с так называемыми синглетно-дельта-метастабильными молекулами кислорода. Эти высокоэнергетические молекулы создаются, когда электроны сталкиваются с молекулами кислорода, заставляя их отрываться и перераспределять электрическое поле.
Результатом является создание проводящей колонны, которая поддерживает связь с облаком, поскольку ступени прокладывают путь к земле, даже когда удар становится темным. Этому способствует возбуждение молекул кислорода, переводящее их в «метастабильное» состояние, которое, если оно присутствует в достаточно большом количестве, может позволить воздуху проводить электричество.
Таким образом, шаги молнии происходят по мере того, как создается достаточное количество метастабильных состояний, чтобы отделить значительное количество электронов. Во время темной части шага плотность метастабильных состояний и электронов увеличивается.
Через 50 миллионных долей секунды ступенька может проводить электричество, а электрический потенциал на вершине ступеньки увеличивается примерно до потенциала облака и создает следующую ступеньку.
По мнению ученых, лучшее понимание ударов молнии может привести к более эффективным мерам защиты зданий, самолетов и людей.
Исследование было опубликовано в Journal of Physics D: Applied Physics.