Таємниця блискавок Зевса розкрита

Наши партнеры ArtmMisto

Російські фізики впритул наблизилися до розгадки механізму виникнення блискавок під час грози. Припущення про те, як це може відбуватися висловив ще в 1992 році вітчизняний вчений Олександр Гуревич. Але тільки недавно з'явилася можливість для експериментальної перевірки його гіпотези. Зараз вивчається найперша стадія формування блискавки.

Так в лабораторії проблем нових прискорювачів ФІАН заробила експериментальна установка, яка дозволяє досліджувати процеси утворення довгою іскри в повітрі - найбільш близького аналога добре відомої блискавки, що виникає під час грози. Експерименти на новій установці проводяться відповідно до положень "Теорії пробою на тікають електронах", що розробляється академіком Олександром Гуревичем.

Незважаючи на те що блискавка не є рідкісним явищем (її бачили, напевно, всі жителі нашої планети хоча б один раз в житті), до сих пір механізм виникнення цього грізного і красивого явища природи практично не вивчений.

Більш того, ті знання, якими володіють вчені, говорять про те, що під час грози блискавка не може виникнути, оскільки, згідно з наявними даними, електричні поля поблизу грозових хмар істотно менше, ніж необхідно для виникнення електричних розрядів. Однак вони, тим не менш, виникають, і іноді навіть по кілька штук за хвилину.

Читайте також: Гроза може створювати антисвіти

"Світлі" блискавки виникають з темних

Ще в 1992 році, намагаючись якось вирішити це парадокс, вітчизняний фізик Олександр Гуревич сформулював так звану "Теорію пробою на тікають електронах". Коротенько суть її така.

Численні спостереження і розрахунки показали, що в повітрі більшість електронів мають середню довжину вільного пробігу (тобто відстань, яке частка долає між двома зіткненнями з оточуючими молекулами, атомами і частинками) близько одного сантиметра.

Однак там є так звані швидкі електрони, які рухаються зі швидкістю, близькою до швидкості світла. Відповідно, вони мають довжину вільного пробігу в 100 разів більше, тобто близько метра.

Гуревич припустив, що якщо ці швидкі електрони (їх-то і називають тікають), несучись на величезній швидкості, зіткнуться з молекулами повітря, то в результаті з останніх буде вивільнено ще кілька таких же швидких електронів. Таким чином, кілька "першопрохідців" стимулюють появу орди вторинних тікають електронів. Вони, в свою чергу, також прискорюються полем.

В результаті з'являється експоненціально зростаюча лавина тікають електронів, разом з якими зростає і число повільних (теплових) електронів. Вони також вибивають в результаті зіткнень швидких електронів з молекулами. Дана ситуація нагадує падіння лінії, складеної з кісточок для гри в доміно, різниця лише в тому, що в даному випадку деякі фішки падають повільно і не зачіпають інші, а деякі - швидко, гублячи своїх сусідів.

Передбачається, що все це повинно приводити до швидкого зростання електропровідності середовища (яка, як ми знаємо, зростає разом зі збільшенням концентрації вільних носіїв заряду). В результаті виникає явище, яке фізики називають "електричний пробій".

До речі, подібне явище знайоме кожному автолюбителю - саме наявність такого пробою бензоповітряної суміші на свічці в двигуні внутрішнього згоряння дозволяє завести двигун (в цій ситуації його зазвичай називають "іскра"). Під час пробою носій заряду на довжині вільного пробігу набуває енергію, достатню для іонізації молекул кристалічної решітки або газу.

Дана іонізація відбувається, коли частинки виривають у них електрони, без яких молекули перетворюються в позитивно заряджені іони. Вирвані ж електрони, в свою чергу, теж стають вільними носіями заряду, які вносять основний вклад в загальний потік.

Втім, сам пробою - це ще не блискавка. Однак в результаті цього явища утворюється багатокілометровий шар проводить плазми. А ось вона вже здатна створити той самий грозовий розряд, який ми називаємо блискавкою.

Проведені Гуревичем розрахунки показали, що в атмосфері пробою може відбуватися при напруженості електричного поля, значно меншою, ніж та, яка необхідна для звичайного пробою (на кшталт того, що відбувається на свічках автомобіля).

Так при тиску одна атмосфера порогове поле для звичайного пробою становить 23 кВ / см, а для пробою на тікають електронах - 2,16 кВ / см. Виходить, що тікають електрони цілком можуть створити всі умови, необхідні для виникнення цього явища.

Але звідки беруться найперші тікають електрони? Вчений припустив, що вони з'являються під дією космічного випромінювання. У верхніх шарах атмосфери воно іонізує молекули повітря, вивільняючи невелика кількість тікають електронів, які, потрапляючи в область грози, і викликають пробій.

До речі, при цьому повинні виникати потужні спалахи рентгенівського випромінювання. І, як показали дані, отримані при експериментах, що проводилися на літаках і кулях-зондах, подібне дійсно має місце бути (першу таку спалах при грозі зафіксували ще в 1960 році, проте тоді ніхто не зміг пояснити, звідки вона взялася).

Серія польових експериментів, проведена в кінці минулого - початку нинішнього століття на Тянь-Шаньской високогірній науковій станції ФІАН, начебто, підтвердила цю теорію. Однак тепер з'явилася можливість вивчити цей механізм в лабораторних умовах.

Правда, вчені відразу ж заявили, що штучну блискавку поки ніхто створювати не збирається. "Наше завдання - змоделювати НЕ блискавку, так як це багатостадійний процес, а її початковий, тобто предпробойний етап", - говорить старший науковий співробітник лабораторії проблем нових прискорювачів ФІАН, кандидат фізико-математичних наук Олександр Огіно. Однак і це є досить цікавим для науковців.

Експериментальна установка для моделювання аналога висотного атмосферного розряду створена співробітниками Фізичного інституту РАН та Інституту потужнострумової електроніки СО РАН (Томськ) на базі електронного релятивистского генератора, що включає в себе генератор імпульсної напруги.

З її допомогою можна виявити наявність в повітрі тікають електронів. Вчені ж досліджують їх поведінку, з'ясовують основні характеристики і спостерігають їх вплив на молекули навколишнього повітря.

"Зараз йде етап накопичення експериментальних даних, але вже отримано багато нових цікавих результатів. У планах - одержати не статистичний, а динамічний ефект, тобто не чекати на появу" затравочного "електрона, а навчитися створювати його.

І тоді, інжектіруя затравочний пучок електронів, сподіваюся, ми однозначно виявимо посилення. І тим самим підтвердимо можливість здійснення пробою на тікають електронах відповідно до висновків теорії ", - коментує результати експериментів Олександр Огіно.

Читайте також: Кульові блискавки - небезпечні галюцинації?

Втім, надалі на базі даних експериментів фізикам вдасться створити штучну блискавку. І її поява буде найкращим доказом справедливості теорії Гуревича. Однак поки необхідно детально досліджувати найперший етап її виникнення ...