Накрывшее горную обсерваторию грозовое облако показало физикам, как работают природные ускорители, порождающие длинные вспышки жесткого излучения во время гроз. В них действует тот же механизм, благодаря которому, вероятно, появляются молнии.
Загадка молний
Научному в современном понимании этого слова исследованию природы грозы и молний уже как минимум два с половиной века. Отсчет можно вести хоть с автора американской конституции Бенджамина Франклина, знакомого большинству из нас по стодолларовой купюре. Однако ученые до сих пор до конца не понимают, как возникают молнии и какие физические процессы ведут к их образованию.
Одна из загадок -- зарождение электрического разряда, который мы называем молнией. Воздух не проводит электричество, потому что в нем нет свободных зарядов -- электроны и ионы связаны в нейтральные молекулы. Когда разряд уже начался, с его продолжением проблем нет -- электрическое поле в грозовых облаках разгоняет заряженные частицы до огромных энергий, и они легко разбивают встретившиеся на пути молекулы, образуя все новые и новые заряженные частицы, способные продолжить начатое дело рядом. Но как его начать?
Напряженность электрического поля в облаке, если верить измерениям исследовательских самолетов и аэростатов, может достигать гигантских по бытовым меркам значений в сотни киловольтов на метр. Однако для затравки и этого мало -- нужно раз в десять больше. Мешают все те же столкновения с молекулами: энергии, которую при такой напряженности поля электрон набирает от удара к удару, не хватает для ионизации. Вот если бы у нас с самого начала был припасен электрон с очень высокой энергией, который успел бы зародить лавину, прежде чем остановиться, тогда все оказалось бы в порядке.
Откуда прилетают родители молний
Как показали еще в начале 1990-х годов ученые под руководством тогда члена-корреспондента, а ныне академика Александра Викторовича Гуревича, для развития такой лавинной реакции в атмосфере хватит электрического поля напряженностью 100-150 кВ/м -- ровно столько, сколько и наблюдается в грозовых облаках. Неудивительно, что механизм Гуревича, Милиха и Руссела-Дюпре (соавторы ключевой публикации), который сами авторы называют «пробой на убегающих электронах», стали привлекать, чтобы объяснить зарождение молний и подобных им явлений в разных слоях атмосферы.
Окончательно в применимость теории Гуревича большинство физиков поверили, когда космическая обсерватория имени Комптона обнаружила гамма-кванты, приходящие вовсе не с далеких светил, а из атмосферы -- судя по всему, как раз со стороны грозовых фронтов. У этих квантов была столь высокая энергия, что родиться в обычных разрядах они не могли -- для их появления нужны как раз релятивистские электроны.
Несколько лет назад Гуревич и его коллеги обнаружили очень короткие, длиной в микросекунды радиоимпульсы из грозовых облаков в окрестностях высокогорной станции Физического института РАН имени Лебедева (ФИАН) на Тянь-Шане. Как показали ученые, эти вспышки возникают тогда, когда вторичные релятивистские электроны, возникшие уже после попадания космических лучей в атмосферу, разом врезаются в грозовые облака и начинает работать тот самый пробой на убегающих электронах. Анализ этих данных даже позволил ученым оценить энергию первичных космических лучей, способных инициировать молнии (примерно 1016 электрон-вольт, что довольно много).
Радиоактивные облака
Теперь ученым под руководством Харафуми Цутии из лаборатории космических излучений знаменитого японского исследовательского центра RIKEN удалось получить доказательства, что такой же механизм может работать и для крайне редких и до сих пор очень загадочных длительных вспышек рентгеновского и гамма-излучения от грозовых облаков.
В отличие от коротких вспышек, сопровождающих молнии, длинные вспышки могут продолжаться несколько минут и по крайней мере на первый взгляд не связаны непосредственно с небесным электрическим разрядом. Но появляются они только во время сильных гроз и исходят, судя по всему, из грозовых облаков.
Цутия и его коллеги зафиксировали одновременный рост потока высокоэнергичных гамма-квантов и релятивистских электронов в момент, когда 20 сентября прошлого года грозовое облако село на обсерваторию космических лучей на горе Норикура высотой 2770 м в центре японского острова Хонсю. Благодаря использованию специального детектора ученые смогли отделить жесткие фотоны от заряженных частиц (это наверняка были электроны) и посчитать их по отдельности.
В течение полутора минут приборы показывали быстрый рост, а затем -- резкое падение обоих потоков. При этом специальная камера для регистрации молний (обслуживающий персонал место измерения в центре грозового облака заблаговременно покинул) никаких вспышек не увидела. Не было и электрических признаков грозового разряда -- специальный прибор для измерения электрического поля не показал характерных скачков напряженности. Работа ученых принята к публикации в Physical Review Letters и доступна на сайте электронных препринтов Корнельского университета (arXiv:0906.0781).
Фотоны попали в модель
По мнению Цутии и соавторов, распределение электронов и фотонов по энергии очень хорошо ложится в модель Гуревича. У фотонов был очень жесткий спектр, близкий к теоретическому пределу. Значит, измерительная аппаратура лежала практически строго на оси потока исходных электронов. По расчетам ученых, сам «грозовой ускоритель частиц» находился на расстоянии около 100 м от обсерватории, его размеры составляли около сотни-другой метров (высокоэнергичные частицы не могут далеко уйти в атмосфере, но для ускорения нужен некоторый разбег). А большая часть энергичных электронов, которые зафиксировали приборы, это те самые затравочные частицы, благодаря которым появляются и фотоны, и вторичные электроны.
Поскольку необходимые для работы этого ускорителя электрические параметры более или менее понятны, ученые надеются, что новые данные помогут им разобраться и с физической природой грозовых облаков. Например, в отличие от механизма ускорения частиц исходная причина длительных вспышек так и осталась непонятной. Кроме того, неясно, выключился ли ускоритель через те самые полторы минуты или просто отвернулся от измерительной аппаратуры. Или, может, прервался поток затравочных частиц, которые позволяли ему работать. Грозовой сезон на Норикуре начнется через месяц-два и продолжится до середины осени. Так что решения этих задач можно ждать уже к зиме.
