Новые исследования гроз, как ускорителей электронов
Исследуя природу грозы, ученые показали, что обычная молния является источником гамма-излучения, а также быстрых электронов. Природа этого явления пока не изучена. Новые эксперименты показали частичное совпадение результатов с предсказаниями теоретической модели.
Помимо колоссальных спецэффектов в виде грома и молний, грозовые тучи, оказывается, являются источниками гамма-излучения и электронов с высокой энергией.
С 1994 года вспышки гамма-излучения от грозовых туч фиксируются самыми разнообразными датчиками. Согласно накопленной статистике, длительность таких вспышек варьируется от нескольких миллисекунд до минут, однако, только самые короткие из них непосредственно связаны с молниями.
Полной теоретической модели происходящего на данный момент нет. Исследователи полагают, что гамма-лучи являются следствием электронов, разогнанных в сильных электромагнитных полях грозовых туч до скорости, близкой к скорости света. Когда один из таких электронов сталкивается с молекулой воздуха, он замедляется, испуская гамма-квант (фотон) – так называемое тормозное излучение. Для того чтобы объяснить все особенности процесса, теоретики предположили, что процесс носит лавинообразный характер: космические лучи обеспечивают первоначальную «популяцию» электронов; первичные электроны ускоряются электромагнитным полем туч, «выбивая» другие электроны из атомов и молекул, и так далее. Энергия электронов при этом варьируется от 10 КЭВ до 12 МЭВ. Подобная «лавинная» модель хорошо согласуется с наблюдаемыми короткими «вспышками» гамма-излучения, кроме того, такое количество электронов как раз может являться «спусковым механизмом» для молнии. Однако, до сих пор не поддавались объяснению более длительные «включения» гамма-излучения.
Для получения нового, более полного набора данных и подтверждения существующей теории группа исследователей из Японии построила систему, которая могла бы фиксировать не только фотоны гамма-излучения, но и быстрые электроны, поступающие от грозовых туч. Поскольку на быстрых электронах в значительной степени может сказаться «путешествие» через атмосферу (электроны очень хорошо поглощаются веществом и даже атмосферой), датчики были расположены на высоту более 2,5 тысяч метров над уровнем моря, в обсерваторию Norikura Observatory, где часто наблюдаются низкие грозы.
Уже осенью прошлого года были получены первые долгожданные результаты, после чего следовал период длительной обработки данных. Полученные результаты вместе с предложенной физической моделью происходящего опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Во время ночной грозы 20 сентября 2008 года приборы зафиксировали вспышку гамма-излучения длительностью 90 секунд без связанной с ней молнией. Компьютерное моделирование показало, что, вероятнее всего, зафиксированное гамма-излучение было «рождено» всего лишь на 90 метров выше расположения приборов. Только благодаря такому короткому расстоянию высокоэнергетические электроны, потенциально ставшие причиной гамма-всплеска, могли быть зафиксированы датчиками, не пройдя повторное ускорение в грозовой туче. В целом результаты для гамма-излучения совпали с принятой «лавинной» теорией, однако, была пересмотрена оценка для энергии электронов: приборы зафиксировали энергии до 20 МЭВ.
Помимо этого было рассчитано, что путь, на котором ускоряются электроны, оценивается примерно в 200 метров. Это меньше, чем предсказывает общепринятая теория, из чего ученые сделали вывод: лавинообразная модель требует уточнений и дополнений для объяснения длительных гамма-вспышек, а также электрических возмущений, фиксируемых датчиками на воздушных шарах.
