Кредит: CC0 Public Domain
В 1990-х годах спутники НАСА, созданные для обнаружения высокоэнергетических частиц, исходящих от сверхновых и других небесных объектов, обнаружили сюрприз: высокоэнергетические всплески гамма-излучения, исходящие прямо отсюда, с Земли.
Хотя исследователям не потребовалось много времени, чтобы выяснить, что эти радиоактивные частицы с повышенным зарядом исходят от гроз, то, как часто происходит это явление, остается загадкой. Спутники не были созданы для обнаружения гамма-излучения, исходящего от Земли, и для этого им нужно было оказаться в нужном месте и в нужное время.
После многих лет работы с платформами, не идеальными для этой задачи, группа ученых получила возможность пролететь над штормами модернизированный самолет-шпион U2, принадлежащий НАСА, чтобы как следует рассмотреть ситуацию. В двух новых статьях, опубликованных в журнале Nature, команда обнаружила, что гамма-излучение, возникающее во время гроз, встречается гораздо чаще, чем кто-либо думал, и что динамика, создающая излучение, хранит в себе сокровищницу загадок, которые еще предстоит разгадать.
«Во время гроз происходит гораздо больше, чем мы могли себе представить», — сказал Стив Каммер, заслуженный профессор инженерных наук Уильяма Х. Янгера в Университете Дьюка, который был соавтором обеих статей. «Оказывается, по сути, все сильные грозы в течение всего дня генерируют гамма-лучи в самых разных формах».
Общая физика того, как грозы создают высокоэнергетические вспышки гамма-излучения, не является загадкой. По мере развития грозы вихревые потоки превращают капли воды, град и лед в смесь, которая создает электрический заряд, подобно тому, как если бы воздушный шарик потерся о рубашку.
Положительно заряженные частицы оказываются на вершине шторма, а отрицательно заряженные частицы падают на дно, создавая огромное электрическое поле, которое может быть столь же сильным, как 100 миллионов батарей типа АА, сложенных встык.
Когда другие заряженные частицы, например электроны, оказываются в таком сильном поле, они ускоряются. Если они ускоряются до достаточно высоких скоростей и случайно сталкиваются с молекулой воздуха, они отбивают больше электронов с высокой энергией. Процесс протекает каскадно до тех пор, пока столкновения не наберут достаточно энергии для возникновения ядерных реакций, вызывающих чрезвычайно сильные и чрезвычайно быстрые вспышки гамма-лучей, антивещества и других форм излучения.
Но на этом история грозового гамма-излучения не закончилась. Самолеты, пролетающие вблизи грозы, также видели слабое свечение гамма-излучения, исходящего от облаков. Кажется, что у этих штормов достаточно энергии, чтобы вызвать низкоуровневое кипение гамма-излучения, но что-то мешает ему создать взрывной взрыв, подобный лопающемуся кукурузному зерну.
«Несколько авиационных кампаний пытались выяснить, распространены ли эти явления или нет, но результаты были неоднозначными, а несколько полетов над Соединенными Штатами вообще не обнаружили никакого гамма-излучения», — сказал Каммер. «Этот проект был разработан, чтобы решить эти вопросы раз и навсегда».
Исследовательская группа обеспечила использование высотного воздушного научного самолета НАСА ER-2. Модернизированный самолет-разведчик U2, оставшийся со времен Холодной войны, он летает в два раза выше, чем коммерческие самолеты, и примерно на три мили выше большинства гроз. Это также очень быстро, что дает команде возможность выбрать именно те грозы, которые, по их мнению, с наибольшей вероятностью принесут результаты.
«Самолет ER-2 станет идеальной платформой для наблюдения за гамма-лучами грозовых облаков», — сказал Николай Остгаард, профессор космической физики Бергенского университета в Норвегии и ведущий исследователь проекта. «Полет на 20 км. [12.4 miles]мы можем пролететь прямо над вершиной облака, как можно ближе к источнику гамма-излучения».
Поскольку ER-2 был идеальным решением, и команда собиралась летать над правильными штормами, исследователи полагали, что, если бы эти явления были редкими, то они вообще их бы почти не увидели. Но если бы они были обычными, то они бы многое увидели.
И они видели многое.
В течение месяца ER-2 совершил 10 полетов над сильными штормами в тропиках к югу от Флориды, и девять из них дали наблюдения этим летом за гамма-излучением, которое также было более динамичным, чем ожидалось.
«Динамика гамма-светящихся грозовых облаков резко противоречит прежней квазистационарной картине свечений и скорее напоминает динамику огромного гамма-светящегося кипящего котла как по форме, так и по поведению», — сказал Мартино Марисалди, профессор физики и технологии Университета. из Бергена.
Учитывая размеры типичной грозы в тропиках, которые значительно превосходят грозы в других широтах, это позволяет предположить, что более половины всех гроз в тропиках являются радиоактивными. Исследователи постулируют, что это низкоуровневое производство гамма-излучения действует как пар, выкипающий из кастрюли с водой, и ограничивает количество энергии, которое может накопиться внутри.
Исследователи были не менее рады увидеть многочисленные примеры коротких и интенсивных всплесков гамма-излучения, исходящих от одних и тех же гроз. Некоторые из них были в точности похожи на те, которые первоначально были обнаружены спутниками НАСА. Они почти всегда происходили в сочетании с активным грозовым разрядом.
Это говорит о том, что большое электрическое поле, создаваемое молнией, вероятно, заряжает и без того высокоэнергетические электроны, позволяя им создавать высокоэнергетические ядерные реакции.
Но было также по крайней мере два других типа коротких всплесков гамма-излучения, которые никогда раньше не наблюдались. Один тип невероятно короток, менее тысячной доли секунды, а другой представляет собой последовательность примерно из 10 отдельных всплесков, повторяющихся в течение примерно десятой доли секунды.
«Эти две новые формы гамма-излучения — то, что я считаю наиболее интересным», — сказал Каммер. «Похоже, что они не связаны с появлением вспышек молний. Они возникают каким-то образом спонтанно. В данных есть намеки на то, что они на самом деле могут быть связаны с процессами, которые инициируют вспышки молний, которые до сих пор остаются загадкой для ученых».
Если есть кто-то, кто беспокоится о том, что из-за всего этого гамма-излучения он может превратиться в Халка, добавил Каммер, то он не должен этого делать. Количество производимой радиации было бы опасным только в том случае, если человек или объект находились достаточно близко к источнику излучения.
«Радиация будет наименьшей из ваших проблем, если вы окажетесь там. Самолеты избегают полетов в активных грозовых ядрах из-за сильной турбулентности и ветров», — сказал Каммер. «Даже зная то, что мы знаем сейчас, я не беспокоюсь о полетах больше, чем раньше».
Информация от: Университетом Дьюка
