Ez a láthatatlan erő okozza a villámcsapást

A Penn State kutatói által vezetett áttörő tanulmány végre megfejtette ezt a rejtett folyamatot: amikor a kozmikus sugarak eltalálják a zivatarfelhőket, részecske lavinákat és sugárzáskitöréseket indítanak el, amelyek belülről gyújtják meg a villámlást. Ezt a láncreakciót, amit fotoelektromos visszacsatolásnak hívnak, gyakran néma csendben, fény vagy hang nélkül indítja el, még mielőtt a villám lesújtana.

Hogyan kezdődik a villámlás? Egy évszázados rejtély megoldva

Évtizedeken át értették a tudósok a villámlás mechanikáját, de az, hogy pontosan mi indítja el a folyamatot a zivatarfelhők belsejében, továbbra is rejtély maradt. Ezt a rejtélyt most oldhatta meg a Victor Pasko vezette kutatócsoport, a Penn State villamosmérnöki karának professzora.

A 2025. július 28-án megjelent Journal of Geophysical Research folyóiratban közzétett tanulmányban a kutatók azt magyarázzák el, hogy a zivatarfelhőkben jelen lévő erős elektromos mezők felgyorsítják az elektronokat. Ezek a gyors elektronok ütköznek nitrogén- és oxigénmolekulákkal, így röntgensugarakat generálnak, és új elektronok, valamint nagyenergiájú fotonok gyors hullámát indítják el. Ez a láncreakció teremti meg a villám kialakulásához szükséges ideális körülményeket.

A fizika összekapcsolása: röntgensugarak, elektromos mezők és lavinák

„Eredményeink az első pontos, mennyiségi magyarázatot nyújtják arra, hogyan indul be a villámlás a természetben” – mondta Pasko. „Összekapcsoljuk a pontokat a röntgensugarak, elektromos mezők és az elektronlavinák fizikája között.”

Az elméletüket matematikai modellezéssel validálták, amely szimulálja azokat a légköri eseményeket, amiket a terepen megfigyeltek. Ezek a megfigyelések a földi légkörben zajló fotoelektromos folyamatokat érintik, ahol a kozmikus sugarak által kiváltott nagyenergiájú elektronok a zivatar elektromos mezőiben szaporodnak és rövid, nagyenergiájú fotonkitöréseket bocsátanak ki. Ezt a folyamatot földi gamma-sugárzásnak (terrestrial gamma-ray flash) nevezik, mely láthatatlan, de természetes eredetű röntgensugár-kitörésekből és rádiójel-kísérletekből áll.

„Modellezésünk segítségével, amely megegyezett a terepen megfigyelt körülményekkel, teljes magyarázatot adtunk a zivatarfelhőkben megjelenő röntgensugarakra és rádióhullámokra” – mondta Pasko. „Bemutattuk, hogyan állítják elő az elektronok, melyeket az erős elektromos mezők gyorsítanak fel, a röntgensugarakat légköri molekulákkal való ütközés során, és hogyan hoznak létre elektronlavinákat, amelyek magas energiájú fotonokat bocsátanak ki, melyek elindítják a villámlást.”

Modellek összevetése terepi megfigyelésekkel

Zaid Pervez, villamosmérnök doktorandusz, a modellt használta arra, hogy összevesse más kutatócsoportok terepi megfigyeléseit — amelyeket földi szenzorok, műholdak és magaslati repülőgépek gyűjtöttek — a szimulált zivatarfelhők körülményeivel.

„Megmagyaráztuk, hogyan zajlanak le a fotoelektromos események, milyen körülmények szükségesek a zivatarfelhőkben az elektronok lavinaszerű sokszorozódásához, és mi okozza a felhőkben megfigyelt rádiójelek széles skáláját, még a villámlás megjelenése előtt” – mondta Pervez. „A villámlás elindításának magyarázatát összevetettem korábbi modellekkel, megfigyelésekkel, és saját munkámmal, amely egy speciális villámtípust vizsgál, a kompakt, felhők közötti kisüléseket, melyek általában kis, lokalizált területeken zajlanak a zivatarokban.”

A Pasko és munkatársai által 2023-ban publikált modell, a Fotoelektromos Visszacsatolás Kisülés (Photoelectric Feedback Discharge), szimulálja a villámlás kialakulásához kedvező fizikai körülményeket. A modell egyenletei a tanulmányban elérhetők, így más kutatók is alkalmazhatják azokat saját munkájukban.

Gamma-sugár kitörések villanás nélkül

A villámlás keletkezésének megfejtése mellett a kutatók azt is elmagyarázták, miért keletkeznek földi gamma-sugárzás kitörések gyakran fény- vagy rádiójel nélkül, amelyek a villámlás jól ismert jelei viharos időben.

„Modellezésünk szerint az elektronlavinák által termelt nagyenergiájú röntgensugarak új, magvető elektronokat generálnak a levegő fotoelektromos hatásán keresztül, gyorsítva a lavinák növekedését” – mondta Pasko. „Ez a láncreakció nagyon kompakt térfogatokban játszódik le, és erőssége nagyon változó lehet, gyakran vezet kimutatható szintű röntgensugárzáshoz, miközben optikai és rádiójel-emisszió gyenge marad. Ez megmagyarázza, miért jöhetnek létre ezek a gamma-sugárzás kitörések optikailag sötét és rádióhalk forrásból.”