В 1990-х годах спутники НАСА, созданные для обнаружения высокоэнергетических частиц, исходящих от сверхновых и других объектов небесных размеров, обнаружили сюрприз — всплески высокоэнергетического гамма-излучения, исходящие прямо отсюда, с Земли. Хотя исследователям не потребовалось много времени, чтобы понять, что эти радиоактивные сверхзаряженные частицы исходят от гроз, то, как часто это явление происходило, оставалось загадкой.

Спутники не были созданы для обнаружения гамма-излучения, исходящего от Земли, и для этого им нужно было оказаться в нужном месте в нужное время.

После многих лет работы с платформами, не подходящими для этой задачи, группа ученых получила возможность полетать на модернизированном самолете-шпионе U2, принадлежащем NASA, над штормами, чтобы как следует рассмотреть их. В двух новых статьях, опубликованных в Nature, группа обнаружила, что гамма-излучение, возникающее во время гроз, встречается гораздо чаще, чем кто-либо думал, и что динамика, создающая излучение, таит в себе сокровищницу загадок, которые еще предстоит разгадать.

«Во время гроз происходит гораздо больше, чем мы когда-либо себе представляли, - сказал Стив Каммер, заслуженный профессор инженерии имени Уильяма Х. Янгера в Университете Дьюка, который был соавтором обеих статей. - Как оказалось по сути, все крупные грозы генерируют гамма-лучи в течение всего дня во многих различных формах».

Общая физика, лежащая в основе того, как грозы создают высокоэнергетические вспышки гамма-излучения, не является загадкой. По мере развития гроз завихряющиеся потоки воздуха превращают капли воды, град и лед в смесь, которая создает электрический заряд, очень похожий на трение воздушного шарика о рубашку.

Положительно заряженные частицы оказываются на вершине бури, а отрицательно заряженные частицы падают на дно, создавая огромное электрическое поле, которое может быть таким же сильным, как 100 миллионов батареек типа АА, сложенных друг на друга.

Когда другие заряженные частицы, такие как электроны, оказываются в таком сильном поле, они ускоряются. Если они ускоряются до достаточно высоких скоростей и случайно сталкиваются с молекулой воздуха, они выбивают больше высокоэнергетических электронов. Процесс каскадируется до тех пор, пока столкновения не наберут достаточно энергии для создания ядерных реакций, производя чрезвычайно сильные и чрезвычайно быстрые вспышки гамма-лучей, антиматерии и других форм излучения.

Но это не конец истории гамма-излучения грозы. Самолеты, пролетающие близко к грозам, также видели слабое свечение гамма-излучения, исходящее от облаков. Эти штормы, похоже, обладают достаточной энергией, чтобы произвести низкоуровневое кипение гамма-излучения, но что-то не дает им создать взрывной всплеск, как лопающееся зерно кукурузы.

«Несколько кампаний с использованием самолетов пытались выяснить, распространены ли эти явления или нет, но результаты были неоднозначными, а несколько кампаний над Соединенными Штатами вообще не обнаружили никакого гамма-излучения, - сказал Каммер. - Этот проект был разработан, чтобы раз и навсегда ответить на эти вопросы».

Исследовательская группа обеспечила использование NASA ER-2 High-Altitude Airborne Science Aircraft. Модернизированный самолет-шпион U2, оставшийся со времен Холодной войны,  летает в два раза выше, чем коммерческие самолеты, и примерно в трех милях над большинством гроз. Он также чрезвычайно быстр, что дает команде возможность выбирать именно те грозы, которые, по их мнению, с наибольшей вероятностью дадут результаты.

«Самолет ER-2 станет идеальной платформой для наблюдения за гамма-лучами из грозовых облаков, - сказал Николай Эстгаард, профессор космической физики в Университете Бергена в Норвегии и ведущий исследователь проекта. - Пролетая на высоте 20 км [12,4 мили], мы сможем пролететь прямо над верхней границей облаков, максимально близко к источнику гамма-излучения».

Поскольку ER-2 был идеальным решением, а команда собиралась пролететь над нужными штормами, исследователи решили, что если эти явления редки, то они их вообще едва ли увидят. Но если они часты, то они их увидят много. И они многое увидели.

В течение месяца ER-2 совершил 10 полетов над крупными штормами в тропиках к югу от Флориды, и в девяти из них были получены данные наблюдений за гамма-излучением этим летом, которое также оказалось более динамичным, чем ожидалось.

«Динамика гамма-светящихся грозовых облаков резко противоречит прежней квазистационарной картине свечения и скорее напоминает огромный кипящий гамма-светящийся котел как по характеру, так и по поведению», — сказал Мартино Марисальди, профессор физики и технологий в Университете Бергена.

Учитывая размер типичной грозы в тропиках, которая намного больше, чем штормы в других широтах, это говорит о том, 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 быть накоплено внутри.

Исследователи были в равной степени взволнованы, увидев многочисленные примеры кратковременных и интенсивных всплесков гамма-излучения, исходящих от тех же самых гроз. Некоторые из них были точно такими же, как те, которые были первоначально обнаружены спутниками NASA. Они почти всегда происходили в сочетании с активным разрядом молнии.

Это говорит о том, что мощное электрическое поле, создаваемое молнией, вероятно, усиливает заряд и без того высокоэнергетических электронов, позволяя им создавать высокоэнергетические ядерные реакции.

Но было также по крайней мере два других типа коротких гамма-всплесков, которые никогда не наблюдались ранее. Один тип невероятно короткий, менее тысячной доли секунды, в то время как другой представляет собой последовательность из примерно 10 отдельных всплесков, которые повторяются в течение примерно десятой доли секунды.

«Эти две новые формы гамма-излучения я нахожу наиболее интересными, - сказал Каммер. - Похоже, они не связаны с развитием вспышек молний. Они возникают спонтанно каким-то образом. В данных есть намеки на то, что они могут быть связаны с процессами, которые инициируют вспышки молний, ​​которые до сих пор остаются загадкой для ученых».

Если кто-то там беспокоится о том, что из-за всего этого гамма-излучения он превратится в Халка, добавил Каммер, то ему не стоит этого делать. Количество производимой радиации будет опасным только в том случае, если человек или объект будут находиться достаточно близко к источнику.

Источник: Nature