В 90-х годах искусственные спутники НАСА, предназначенные для обнаружения высокоэнергетических частиц от сверхновых и других астрономических объектов, сделали неожиданное открытие — всплески гамма-излучения, происходящие прямо на Земле. Хотя исследователям удалось быстро установить, что эти радиоактивные частицы возникают в грозах, вопрос о том, насколько распространено это явление, оставался без ответа.
Недавно модернизированный разведывательный самолета U2, принадлежащий НАСА, пролетел над грозами для получения более подробных данных. В двух новых статьях, опубликованных в Nature, авторы исследования показали, что гамма-излучение, производимое грозами, встречается гораздо чаще, чем предполагалось и содержит множество нерешенных загадок.
«Оказывается, практически все большие грозы генерируют гамма-излучение в различных формах на протяжении всего дня», — говорит Стив Каммер, профессор инженерии из Университета Дьюка (США), один из авторов исследования.
Во время усиления грозы вращающиеся потоки воздуха поднимают водяные капли, град и лед, создавая электрический заряд: похоже на натирание воздушного шара об одежду. Положительно заряженные частицы оказываются в верхней части шторма, тогда как отрицательно заряженные опускаются вниз, образуя электрическое поле, которое может быть так же мощно, как 100 миллионов батареек типа АА.
Когда другие заряженные частицы, например, электроны, попадают в такое мощное поле, они начинают разгоняться. Если их скорость достигает достаточно высоких значений и они сталкиваются с молекулой воздуха, из последней выбивается много высокоэнергетических электронов. Процесс продолжается до тех пор, пока столкновения не станут достаточно мощными для создания ядерных реакций, производящих чрезвычайно сильные и быстрые вспышки гамма-излучения, антиматерии и др.
В течение месяца самолет совершил 10 полетов над большими штормами в тропиках к югу от Флориды, и в 9 случаях наблюдали слабое гамма-излучение, которое оказалось более динамичным, чем ожидалось.
«Она скорее напоминает огромный кипящий котел с гамма-излучением как по рисунку, так и поведению», — сказал Мартино Марисальди, профессор физики и технологии в Университете Бергена.
Грозы в тропиках намного крупнее штормов на других широтах. Это значит, что более половины всех гроз в тропиках радиоактивны. Исследователи полагают, что такое низкоуровневое гамма-излучение действует как своего рода пар, уносящий избыточную энергию из «кастрюли» грозы.
Эти вспышки гамма-излучения почти всегда происходят вместе с активными разрядами молнии. Это свидетельствует о том, что большое электрическое поле, создаваемое молнией, вероятно, подзаряжает электроны с уже высокой энергией, позволяя им создавать ядерные реакции.
Также были обнаружены по меньшей мере два других типа коротких всплесков гамма-излучения, которые ранее не наблюдались. Один из типов чрезвычайно короткий, менее тысячной доли секунды, в то время как другой представляет собой череду примерно 10 всплесков, повторяющихся в течение десятой доли секунды.
«Эти две новые формы гамма-излучения кажутся мне самыми интересными. Они, похоже, не связаны с развитием молний. Они каким-то образом возникают спонтанно. Есть намеки в данных, что они могут быть связаны с процессами, инициирующими молнии, которые все еще остаются загадкой для ученых», — сказал Каммер.
Количество излучения было бы опасным только в том случае, если бы человек или объект находились совсем рядом с источником. Но в этом случае гамма-излучение было бы наименьшей из проблем. Самолеты избегают полетов в эпицентрах гроз из-за экстремальной турбулентности и ветров.
Удары молний могли создать строительные блоки для жизни на молодой Земле
Почему в грозу опасно ходить под зонтом: эксперт объясняет физику молний
Впервые удалось заснять рентгеновские лучи от самого опасного типа молний — бьющих вверх