Вчені виявили грозові гамма-спалахи нового типу

Під час грози виникають спалахи гамма-випромінювання різної інтенсивності. Механізм їх розвитку та зв’язок із блискавками залишаються багато в чому загадковими. У новій роботі вчені показали, що грозові гамма-спалахи набагато більш поширені та різноманітні, ніж прийнято було рахувати.

Грім і блискавки — лише вершина айсберга, що приховує цілий клас високоенергетичних явищ у атмосфері під час грози. Так, 1994 року на супутнику NASA «Обсерваторія Комптон», який спостерігав за гамма-сплесками в космосі, випадково зареєстрували спалах гамма-випромінювання із Землі. 

У подальших роботах підтвердили існування земних гамма-спалахів високої інтенсивності (terrestrial gamma-ray flashes). Крім них, відомо ще про менш інтенсивні і більш тривалі свічення гамма-променів (gamma-ray glows). Характеристика та механізм зародження цих явищ не цілком зрозумілі.

Вчені з ЄС та США проаналізували дані літаючої авіалабораторії за 2023 рік, яка реєструвала гамма-промені під час океанських та сухопутних гроз у Карибському басейні та над Центральною Америкою. Їх дослідження у вигляді двох статей відбулося в журналі Nature. 

«Під час гроз відбувається набагато більше, ніж можна собі уявити. З’ясувалося, що всі такі великі події генерують гамма-промені весь день у багатьох різних формах», — прокоментував дослідження Стів Каммер із університету Дьюка (США), співавтор обох робіт.

Загалом механізм утворення гамма-випромінювання під час грози відомий. Спочатку всередині суспензії води, граду, льоду, що утворюють хмару, виникає електростатичний заряд. Позитивно заряджені частинки опиняються зверху, негативно заряджені опускаються вниз. Виникає сильне електричне поле, яке прискорює електрони, що опинилися там. Стикаючись випадково з молекулами повітря, вони вибивають із них високоенергетичні електрони. А ті вибивають ще й ще. Процес набуває лавиноподібного характеру, породжуючи масу вторинних частинок, включаючи гамма-кванти. 

Для дослідження вчені скористалися лабораторією NASA ER-2, переобладнаною із літака-шпигуна часів холодної війни U2. Машина літає вдвічі вище за цивільні судна, піднімаючись над грозовими хмарами. Вона має високу швидкість, що дозволяє швидко переміщатися, вибираючи найбільш перспективні грозові хмари. Дослідники здійснили на ній 10 польотів протягом місяця над тропічними областями Флориди. 

У першій статті Микола Остгаард із Бергенського університету (Норвегія) з колегами описав новий тип спалахів-гамма випромінювання — мерехтливий. Вони складаються з імпульсів тривалістю приблизно 250 мілісекунд, тоді як земні гамма-спалахи тривають удвічі менше. Загалом дослідники зареєстрували 24 мерехтливі події під час п’яти польотів вище за грозу. З них 17 супроводжувалися блискавками. 

Автори припустили, що мерехтливий гамма-спалах починається як свічення, яке потім раптово нарощує інтенсивність і перетворюється на серію імпульсів. Не виключено, що мерехтливі гамма-спалахи є спусковим гачком для деяких блискавкових розрядів. На думку вчених, мерехтіння — це проміжна ланка між гамма-свіченням та земним гамма-спалахом.

У другій роботі вчені на чолі з Мартіно Марісалді, теж з Бергенського університету, досліджували властивості гамма-світлення, що характеризується меншою інтенсивністю. Вони зареєстрували події під час шторму, що охопив площу 9000 квадратних кілометрів і тривав три години.

З’ясувалося, що гамма-випромінювання цього типу не рідкісне і набуває різних форм. Загалом під час дев’яти із 10 польотів зареєстрував більш ніж 500 гамма-світлень тривалістю від однієї до 10 секунд кожне. Це йде врозріз з попередніми роботами, що фіксували рівномірно поширені, більш тривалі спалахи — на десятки, сотні секунд.