Физики обнаружили грозовые гамма-вспышки нового типа.

Во время грозы возникают вспышки гамма-излучения разной интенсивности. Механизм их развития и связь с молниями остаются во многом загадочными. В новой работе учёные показали, что грозовые гамма-вспышки гораздо более распространены и разнообразны, чем принято было считать.

Тропический шторм с молниями около аэропорта Санта-Марта в Колумбии / © Oscar van der Velde.

Гром и молнии — лишь вершина айсберга, скрывающего в себе целый класс высокоэнергетических явлений в атмосфере во время грозы. Так, в 1994 году на спутнике NASA «Обсерватория Комптон», наблюдавшем за гамма-всплесками в космосе, случайно зарегистрировали вспышку гамма-излучения с Земли.

В последующих работах подтвердили существование земных гамма-вспышек высокой интенсивности (terrestrial gamma-ray flashes). Кроме них, известно еще о менее интенсивных и более продолжительных свечениях гамма-лучей (gamma-ray glows). Характеристика и механизм зарождения этих явлений не вполне ясны.

Учёные из ЕС и США проанализировали данные летающей авиалаборатории за 2023 год, регистрировавшей гамма-лучи во время океанских и сухопутных гроз в Карибском бассейне и над Центральной Америкой. Их исследование в виде двух статей вышло в журнале Nature.

«Во время гроз происходит гораздо больше, чем можно себе представить. Выяснилось, что все такие крупные события генерируют гамма-лучи весь день во многих различных формах», — прокомментировал исследование Стив Каммер из Дьюкского университета (США), соавтор обеих работ.

Пурпурное излучение из грозовой тучи — это визуализация свечения гамма-вспышек / © The ALOFT team / Mount Visual, licensed under CC BY 4.0.

В общих чертах механизм образования гамма-излучения во время грозы известен. Сначала внутри взвеси воды, града, льда, образующих тучу, возникает электростатический заряд. Положительно заряженные частицы оказываются сверху, отрицательно заряженные опускаются вниз. Возникает сильнейшее электрическое поле, которое ускоряет оказавшиеся там электроны. Сталкиваясь случайно с молекулами воздуха, они выбивают из них высокоэнергетические электроны. А те выбивают еще и еще. Процесс принимает лавинообразный характер, порождая массу вторичных частиц, включая гамма-кванты.

Для исследования учёные воспользовались лабораторией NASA ER-2, переоборудованной из самолёта-шпиона времён холодной войны U2. Машина летает в два раза выше, чем гражданские суда, поднимаясь над грозовыми тучами. У неё высокая скорость, что позволяет быстро перемещаться, выбирая наиболее перспективные грозовые тучи. Исследователи совершили на ней 10 полётов в течение месяца над тропическими областями Флориды.

В первой статье Николай Остгаард из Бергенского университета (Норвегия) с коллегами описал новый тип вспышек-гамма излучения — мерцающий. Они состоят из импульсов продолжительностью примерно 250 миллисекунд, тогда как земные гамма-вспышки длятся в два раза меньше. Всего исследователи зарегистрировали 24 мерцающих события во время пяти полётов выше грозы. Из них 17 сопровождались молниями.

Авторы предположили, что мерцающая гамма-вспышка начинается как свечение, которое затем внезапно наращивает интенсивность и превращается в серию импульсов. Не исключено, что мерцающие гамма-вспышки служат спусковым крючком для некоторых молниевых разрядов. По мнению учёных, мерцание — это промежуточное звено между гамма-свечением и земной гамма-вспышкой.

Во второй работе учёные во главе с Мартино Марисалди, тоже из Бергенского университета, исследовали свойства гамма-свечения, которое характеризуется меньшей интенсивностью. Они зарегистрировали события во время шторма, охватившего площадь в 9000 квадратных километров и длившегося три часа.

Выяснилось, что гамма-излучение этого типа не редкое и принимает разные формы. Всего во время девяти из 10 полётов зарегистрировал более чем 500 гамма-свечений длительностью от одной до 10 секунд каждое. Это идёт вразрез с предыдущими работами, фиксировавшими равномерно распространяющиеся, более длительные вспышки — на десятки, сотни секунд.

Источник: https://naked-science.ru/artic...

В.К. А вот несколько иной взгляд на то же самое.

Более половины тропических гроз вырабатывают мощные вспышки гамма-излучения.

В общей сложности исследователи совершили 10 вылетов в те области Атлантики и прибрежных районов США и Мексики, где были зафиксированы мощные грозы, и изучили несколько десятков активных грозовых облаков с минимально близкого расстояния.

© AP Photo/Kaan Soyturk.

/ТАСС/. Опыты на борту самолёта-разведчика U2, перестроенного для проведения научных экспериментов, помогли физикам открыть свидетельства того, что больше половины гроз в тропических регионах Земли вырабатывают мощные всплески гамма-излучения, часть из которых оказалась не связана со разрядами молний. Об этом сообщила пресс-служба американского Университета Дьюка.

"Оказалось, что внутри грозовых облаков происходит значительно больше физических процессов, чем мы предполагали в прошлом. Мы обнаружили, что фактически все крупные грозы постоянно вырабатывают гамма-вспышки на всем протяжении их существования, при этом существует сразу несколько типов подобных всплесков", - пояснил профессор Университета Дьюка Стивен Каммер, чьи слова приводит пресс-служба вуза.

Физики совершили это открытие при анализе данных, которые были собраны во время пролётов над тропическими регионами Атлантики и Карибского моря при помощи ER-2, "летающей лаборатории" НАSА, которая представляет собой переделанный самолёт-разведчик U-2. Учёные установили на её борту большое число датчиков гамма-излучения и прочих приборов, необходимых для изучения природы молний.

В общей сложности исследователи совершили 10 вылетов в те области Атлантики и прибрежных районов США и Мексики, где были зафиксированы мощные грозы, и изучили несколько десятков активных грозовых облаков с минимально близкого расстояния, для чего бывший U2 поднялся на высоту в 20 км от поверхности моря. В общей сложности, физики зафиксировали более пяти тысяч вспышек гамма-волн разной длины и мощности в примерно половине изученных ими грозовых облаков.

Изучение структуры и физических свойств этих всплесков указало на существование ранее неизвестной формы гамма-вспышек, в рамках которой грозовые облака вырабатывают наборы из нескольких коротких, но мощных всплесков длиной в 20-250 миллисекунд. Учёные предполагают, что эти вспышки являются своеобразным связующим звеном между относительно слабым, но долгоживущим гамма-волновым сиянием грозовых облаков, и мощнейшими гамма-всплесками, которые длятся всего несколько микросекунд.

"Эти необычные вспышки гамма-волн представляют особенный интерес для изучения, так как наши наблюдения указывают на то, что они возникают спонтанным образом и при этом они не связаны с формирующимися разрядами молний, как два других типа всплесков. При этом мы обнаружили свидетельства того, что они могут быть связаны с пока неизвестными для науки процессами, которые предваряют удары молний, что делает их еще более интересными для наблюдений", - подытожил профессор Каммер.

О молниях.

Природа молний была описана еще в 1749 году Бенджаменом Франклином. Проведённые им опыты показали, что молнии представляют собой электрические разряды, курсирующие между грозовыми облаками и поверхностью Земли. В начале прошлого десятилетия эта картина стала значительно сложнее. Оказалось, что в рождении молний участвуют космические лучи, а первые спутниковые наблюдения за молниями показали, что их удары сопровождаются вспышками гамма-излучения, хорошо заметными из космоса.

Источник: https://nauka.tass.ru/nauka/22...

В.К. Я привёл эти два сообщения для того, чтобы вы увидели, о чём, собственно, идёт речь. А теперь посмотрим на это несколько с иной стороны.

Российские учёные разработали новую модель земных гамма-вспышек.

Учёные из МФТИ совместно с коллегами из ВШЭ и Института прикладной физики РАН теоретически исследовали лавинное распространение быстрых электронов в грозовых облаках. Авторы построили аналитическую и вычислительную модели развития наземных гамма-вспышек, порождаемых быстрыми электронами. Описание условий, при которых происходит развитие вспышки, с помощью нового подхода оказалось более реалистичным, чем предыдущие.

Российские учёные разработали новую модель земных гамма-вспышек / ©Getty images / Автор: Иван Беляев.

Результаты работы опубликованы в журнале JGR: Atmospheres. В 1994 году впервые были обнаружены вспышки гамма-излучения в атмосфере Земли. При последующем изучении этих явлений обнаружилось, что они связаны с ударами молний (существующие измерения не позволяют точно определить порядок).

Энергия вспышки может уходить как в космическое пространство так и на поверхность планеты. Учёные считают, что внутри грозовых облаков часто образуются области сравнительно сильного электрического поля. Попадая в такие зоны, электроны ускоряются.

В работах Александра Гуревича был введён термин «лавина убегающих электронов». Смысл этого понятия в том, что медленные электроны (с энергией меньше 300–500 кэВ) в атмосфере теряют энергию быстрее, чем получают её от электрического поля. В то же время более быстрые электроны теряют энергию медленнее и, как следствие, ускоряются.

Это приводит к тому, что быстрые электроны могут ускоряться до релятивистских скоростей (до 50–80 МэВ). При взаимодействии с атмосферой электроны могут рождать как вторичные электроны с достаточной для «убегания» скоростью, так и гамма-кванты, которые, в свою очередь, способны рождать быстрые электроны. Таким образом появляется лавина быстрых электронов и параллельная вспышка гамма-лучей.

Они не несут прямой угрозы людям и оборудованию, но представляют значительный научный интерес. Особенно в смысле их связи с природой возникновения молний, с которой до сих пор есть много неясностей. Существует несколько моделей возникновения таких вспышек, но во всех из них есть те или иные трудности с объяснением наблюдаемых данных.

Авторы работы предположили, что внутри грозы есть много разных областей, в которых электрическое поле гораздо сильнее, чем в промежуточном пространстве. При этом в каждой из областей поле направлено случайно, но внутри самой области — более или менее однородно. В рассматриваемой модели лавина электронов распространяется внутри такой области, называемой ячейкой реактора, по аналогии с атомным реактором.

Электроны, попадая в промежуточное пространство слабого поля, быстро теряют энергию, в то время как гамма-луч достигает следующей ячейки и запускает новую лавину электронов. Принципиальная схема процесса представлена на рисунке 1. Авторы описали процесс развития гамма-вспышки аналитически и провели его численное моделирование с использованием разработанной модели. Оказалось, что новый подход позволяет описывать гамма-вспышки точнее, чем другие существующие.

Рисунок 1. Схема распространения лавин электронов в грозовом облаке / ©JGR: Atmospheres / Пресс-служба МФТИ.

«На основе аналитической модели мы показали, что для развития лавин в реакторах требуются области сильного поля размером от 50 до 500 метров с разным направлением. Отличительной особенностью нашего подхода стал широкий угол, в котором можно наблюдать результирующее гамма-излучение. Это соответствует измерениям, приведённым ранее при помощи космических датчиков гамма-излучения.

Мы предполагаем, что лавины электронов могут демонстрировать поведение, которое мы описали в работе, в разных областях с неоднородным электрическим полем, поскольку единственным необходимым условием является достижение тормозным излучением следующей ячейки, в которой развиваются другие лавины. Следовательно, исследование структуры электрического поля грозы имеет решающее значение для понимания физики электронных лавин и гамма-излучения», — дополняет Егор Стадничук, научный сотрудник лаборатории методов ядерно-физических экспериментов МФТИ.

Источник: https://naked-science.ru/artic...

В.К. А теперь я я скажу пару-тройку слов по этому вопросу.

Ранее я уже писал что, по всей видимости, в сильных электрических полях грозовых облаков возникают, скажем так, ионные каналы, по которым затем и развивается разряд молнии. Это явление, на мой взгляд, обнаружили ещё Ломоносов и Рихман в своих экспериментах, но не дали им должного описания.

Так вот, сверхсильные электрически поля, наличествующие в грозовых облаках и между ними и землёй, образуют поле причин формирующее, назовём это так, "пространство Дирака", в котором и образуются электрон-позитронные пары. Аннигилируя они и создают и фоновое гамма-излучение, и эти короткие гамма-вспышки.