В 1990-х годах учёных НАСА ждал неожиданный сюрприз. Сканируя космос на предмет высокоэнергетических всплесков гамма-излучения от сверхновых и черных дыр, они наткнулись на любопытную находку. Судя по всему, всплески гамма-излучения исходили от гроз на Земле. Тем не менее, полный масштаб этого явления до сих пор оставался загадкой.

В двух новых статьях, опубликованных в Природа Исследователи обнаружили, что гамма-излучение во время гроз гораздо более распространено, чем считалось ранее. Используя модернизированный самолет-разведчик U2, чтобы лучше рассмотреть эти грозы, ученые обнаружили, что грозы постоянно генерируют гамма-излучение в различных формах.

«Во время гроз происходит гораздо больше событий, чем мы когда-либо могли себе представить», — сказал Стив Каммер, профессор инженерного дела в Университете Дьюка и соавтор обеих статей. «Оказывается, по сути, все сильные грозы в течение всего дня генерируют гамма-лучи в самых разных формах».

Гамма-лучи в небе

Гамма-лучи, форма света с самой высокой энергией, обычно связаны с жестокими космическими событиями. Но грозы тоже производят их, хотя и в другой форме.

В течение последних трех десятилетий ученые знали об этих коротких, но интенсивных вспышках гамма-излучения, известных как земные гамма-вспышки (TGF). Они также поняли, что грозы производят низкоуровневое слабое свечение гамма-лучей. Механизм, вызывающий эти всплески, долгое время объяснялся релятивистской лавиной убегающих электронов (RREA). Это явление возникает, когда одиночный электрон высокой энергии ускоряется электрическим полем грозы, сталкиваясь с молекулами воздуха, создавая каскадное количество электронов и гамма-лучей.

Во время шторма восходящие потоки переносят капли воды, град и лед в облака, создавая электрический заряд. Подобно тому, как тереть воздушный шарик о свитер, эта смесь частиц накапливает электрическую энергию. В результате возникает массивное электрическое поле, способное ускорять частицы, например электроны, до невероятных скоростей. Когда эти высокоэнергетические электроны сталкиваются с молекулами воздуха, они испускают гамма-лучи, а в некоторых случаях даже антивещество.

Однако до недавнего времени гамма-лучи, исходящие от гроз, казались спорадическими, учитывая ограничения предыдущих спутниковых технологий. Спутники НАСА, предназначенные для наблюдения за космическими событиями, такими как космические гамма-всплески от взрывающихся звезд, должны были находиться в нужном месте в нужное время, чтобы обнаружить гамма-излучение Земли. А полеты самолетов, пытавшиеся пролететь рядом с грозой, часто терпели неудачу, потому что опасность подобраться слишком близко к активному шторму ограничивала их возможности.

Погоня за штормом

Исследовательскую группу возглавил Николай Остгаард, профессор космической физики Бергенского университета в Норвегии. Команда использовала высотный научный самолет НАСА ER-2 — модифицированный самолет-разведчик U2. Пролетая на высоте 12,4 мили над Землей, что на три мили выше, чем при большинстве гроз, самолет предоставил команде идеальную точку обзора. Более месяца ER-2 летал над штормами в тропиках к югу от Флориды. Он зафиксировал гамма-излучение во время 9 из 10 полетов. То, что казалось редким событием, на самом деле происходило при большинстве гроз.

«ER-2 — идеальная платформа для этих измерений. Он может летать на чрезвычайно больших высотах (в два раза выше, чем обычные самолеты) и поэтому может преодолевать расстояние всего в несколько миль. выше гроза в гораздо более безопасной среде, но все же очень близко к региону-источнику, чтобы поймать более слабые TGF. И он может летать взад и вперед в одной и той же форме в течение длительного времени, так что мы наконец сможем получить четкое представление о том, сколько гамма-излучения может произойти во время активного шторма», — сказал Каммер. ЗМЭ Наука .

Возникли важные логистические и технические проблемы. Например, одной из главных трудностей был выбор того, на какие штормы нацеливаться. Поскольку самолету НАСА ER-2 требовалось несколько часов, чтобы добраться до многих из этих штормов, всегда существовал риск, что шторм рассеется прежде, чем они смогут собрать данные. В рамках исследовательской кампании было доступно всего около 60 летных часов, поэтому команде пришлось быть невероятно избирательным, чтобы не тратить драгоценное время на штормы, которые не принесут результатов.

«Планировщики проделали потрясающую работу, учитывая, насколько успешными были измерения», — сказал Каммер.

Остгаард объясняет в электронном письме для ЗМЭ Наука как им удалось преодолеть эту проблему, используя данные ER-2 в реальном времени. Самолет был оборудован системой, которая отправляла данные с низким разрешением обратно команде на земле, позволяя им отслеживать, когда самолет входил в облако, испускающее гамма-излучение. «Мы узнаем, когда ER-2 войдет в светящееся гамма-излучение облако, и проинструктируем пилота вернуться в облако, пока оно светится», — сказал Остгаард.

Новые идеи из-за облаков

Невероятно, но команда сорвала джекпот в своем первом же полете. ER-2 столкнулся со светящимся облаком, которое продолжало излучать гамма-лучи в течение как минимум 30 минут, вызвав волнение в диспетчерской. «Тогда в комнате было много «оууу», — вспоминал Остгаард.

Мартино Марисалди, профессор физики Бергенского университета, описал гамма-активность как «кипящий котел», в котором постоянно бурлит энергия.

Команда полагает, что грозы могут испускать гамма-лучи, как пар, вырывающийся из чайника, позволяя штормам высвобождать энергию, не приводя к мощной вспышке молнии. «Это намного важнее, чем мы думали», — добавил Каммер.

Однако гамма-лучи, производимые грозами на Земле, фундаментально отличаются от тех, которые генерируются космическими событиями, такими как черные дыры или взрывающиеся звезды, с точки зрения их масштаба и интенсивности. Космические гамма-лучи рождаются в результате катастрофических процессов, высвобождая энергию астрономических масштабов. Эти события создают одни из самых мощных взрывов во Вселенной. Их гамма-лучи излучают на огромные расстояния, и их можно обнаружить на расстоянии миллиардов световых лет.

Напротив, гамма-лучи, производимые грозами, более локализованы и недолговечны и движутся электрическими полями внутри грозы. Тем не менее, Каммер отмечает поразительное сходство между ними:

«Такое обычное явление, как гроза, является одним из немногих естественных процессов в известной Вселенной, который генерирует всплески частиц с такой высокой энергией. Очевидно, в меньшем пространственном масштабе, но для меня это все равно удивительно — взрывающиеся звезды и грозы создают одни и те же частицы высокой энергии», — сказал он. ЗМЭ Наука в электронном письме.

Тайна углубляется

Хотя открытие частого гамма-излучения является захватывающим, работа команды также выявила кое-что еще более интригующее. Они обнаружили два совершенно новых типа гамма-всплесков. Эти всплески, более короткие и интенсивные, чем те, что были зафиксированы спутниками, произошли неожиданным образом, в том числе перед традиционными ударами молний.

Уже было известно, что традиционные наземные гамма-вспышки (TGF) происходят вместе с молниями, но недавние наблюдения выявили, что гамма-всплески происходят по совершенно другим сценариям. Эти всплески были обнаружены без какой-либо явной связи с молниями и даже появились до любые связанные с этим удары молнии.

Эти недавно обнаруженные TGF слишком тусклые, чтобы их могли обнаружить спутники, поэтому их раньше не замечали. Самолет ER-2, летевший вблизи грозы, смог обнаружить более 100 таких более тусклых TGF, что намного больше, чем ожидалось.

«По крайней мере, многие, а может быть, и все эти не связанные с молнией TGF, по-видимому, очень близко по времени (менее секунды) следуют за традиционным разрядом молнии. Это намекает на то, что процесс TGF может играть роль в инициирование разряд молнии, который никогда не был до конца понятен», — сказал Каммер.

Стоит ли нам беспокоиться?

Результаты могут показаться тревожными, но нет необходимости беспокоиться о внезапном всплеске радиационного воздействия. Количество гамма-излучения, генерируемого во время грозы, недостаточно, чтобы нанести вред любому, кто летит рядом с грозой. «Радиация будет наименьшей из ваших проблем, если вы окажетесь там», — сказал Каммер. Как он отметил, пилоты уже избегают полетов через турбулентные грозы.

Однако нельзя исключать риски для такого оборудования, как спутники или военные самолеты, работающие на больших высотах.

«Присутствие незначительного гамма-излучения во время грозы и над ней в течение длительного времени определенно необходимо учитывать при выборе любого оборудования, которое должно работать в такой среде. Тем не менее, я знаю не так уж много вещей, которые бы работали на таких высотах. Но это, безусловно, риск, который необходимо учитывать при проектировании, если это вообще возможно», — добавил Каммер.

По мере того, как ученые продолжают изучать данные, результаты указывают на один однозначный вывод: грозы гораздо сложнее, чем мы когда-либо могли себе представить. На самом деле, новое исследование может поднять больше вопросов, чем дать ответов. Открытие ранее неизвестных типов гамма-излучения намекает на более глубокие процессы внутри штормов.

«Меня всегда удивляло, что грозы могут генерировать гамма-лучи высокой энергии, электроны, даже антивещество в виде позитронов и даже ядерные процессы в виде выбивания нейтронов из атомов кислорода и азота. Но, похоже, это происходило со скоростью, которая делала процессы очень интересными, но, возможно, не важными в общей картине. Но теперь мы увидели, что этот высокоэнергетический процесс почти вездесущ при сильных грозах и играет важную роль в развитии грозовых электрических полей и разрядке гроз. Тогда вишенкой на торте является намек на то, что этот процесс может играть роль в возникновении молнии и на самом деле быть тем, что, по крайней мере иногда, создает впечатляющую вспышку молнии, которую мы (или, по крайней мере, я) знаем и любим», — заключил Каммер.

Результаты появились в Природа .