Електричні ефекти грози не обмежуються лише високими шарами атмосфери. Близько до землі земна атмосфера гуде від інтенсивних електричних полів, які прискорюють частинки, кидаючи електрони так, що атоми починають світитися гамма-променями. З вершини гори у Вірменії вчені уважно придивилися до цього загадкового метеорологічного явища.
У лабораторії космічних променів Національної наукової лабораторії ім. Аліханяна на горі Арагац фізик Ашот Чілінґарян та його колеги працюють над вивченням грозових наземних підсилень, або ТГП.
Це електромагнітне посилення, каже Чілінґарян, не брали до уваги при дослідженні гроз, але воно може бути частиною пазлу в нашому розумінні фізичного Всесвіту – від гроз тут, на Землі, до космічних променів, які долають величезні відстані через космос.
«Щодня відбувається 40 000 гроз. Численні мережі виявляють атмосферні розряди, а супутники з точними оптичними приладами стежать за спалахами блискавок. Проте, коли ми почали дослідження TGE, ніхто не відстежував величезний потік мегаелектронвольтових (МеВ) електронів, що бомбардують нашу планету і простір над нею, – розповів він ScienceAlert.
«Ми створили мережу детекторів частинок SEVAN десять років тому для моніторингу TGE у Східній Європі, Німеччині та Вірменії. Прискорювачі електронів з енергією в десятки МеВ охоплюють величезні обсяги в атмосфері і багато квадратних кілометрів на поверхні Землі.
«Цей величезний потік супроводжує життя на Землі протягом мільярдів років її еволюції і, безумовно, впливає на всі аспекти геопростору та біосфери».
ТГЕ складаються з електричних полів в атмосфері, що генеруються грозами. У цих електричних полях електрони прискорюються до високих швидкостей – швидкостей, що наближаються до швидкості світла у вакуумі, або релятивістських швидкостей.
Вони відомі як релятивістські лавини електронів, які рухаються під дією електричного поля як до землі, так і вгору в атмосферу. Саме ці електрони створюють випромінювання.
Коли вони раптово сповільнюються, відхиляючись від зіткнення з атомним ядром в атмосфері, втрата енергії проявляється у вигляді гамма-випромінювання – форми випромінювання, відомої як бремсштралююче випромінювання.
Використовуючи свою мережу детекторів, Чілінгарян і його колеги зібрали дані про грози по всій Європі в 2023 році, виконавши детальні вимірювання електронів і гамма-випромінювання, які відбулися під час 56 інтенсивних ТГЕ, які вони зафіксували.
Найінтенсивніші ТГЕ здебільшого відбувалися з травня по липень, а найпотужніший був зафіксований на горі Ломницький Штит у Словаччині в травні. Під час цієї події потік частинок у 100 разів перевищував нормальний рівень для ясної погоди. Загалом було зафіксовано сім подій, які перевищували потік за нормальної погоди більш ніж на 75 відсотків.
«Ми вимірюємо стабільний потік електронів на поверхні Землі, що покриває сто тисяч квадратних метрів. Якийсь механізм забезпечує цю стабільність протягом хвилини або більше», – пояснив Чилінгарян.
«У грозовій хмарі виникає величезний електронний пучок, де структура заряду змінюється на секундній шкалі часу. Атмосферні розряди вбивають різницю потенціалів, але потік залишається стабільним. Вимірювати його було дуже цікаво!»
На диво, дослідники також виявили, що електричне поле знаходиться набагато ближче до землі, ніж вони очікували знайти. Вони виміряли сильне електричне поле на висоті до 50 метрів (164 футів) над землею.
«Це відкриття вразило метеорологів, які не вірили в нього, поки ми не представили вичерпні докази», – зазначив Чілінгарян.
Сталість прискорення, здатного підтримувати потік частинок до декількох хвилин, а також низька висота електричного поля, відкриває нові деталі про структуру атмосферних електричних полів і гроз, які ми не знали раніше. Наприклад, ТГП можуть забезпечувати шлях, яким блискавки можуть досягати землі. І їхня роль у геофізиці потребує дослідження. Дослідники створили базу даних ТГЕ у відкритому доступі, щоб наукова спільнота могла її вивчати і аналізувати.
Їхнє дослідження гроз – це лише частина роботи, що виконується на Арагаці. Цього року Сонце досягло шаленства, наближаючись до сонячного максимуму, піку свого циклу активності, посилаючи в космос частинки, що викидаються корональними викидами маси. Чілінгарян та його колеги також виявили сонячні події за допомогою обладнання на вершині гори, опублікувавши три статті, а четверта – на підході.
«Бурхливі вибухи в нашій галактиці також надсилають частинки надвисокої енергії до Сонячної системи. Нещодавно були відкриті певатрони – джерела гамма-випромінювання з енергією 1015 еВ. Ми критично проаналізували це відкриття, спираючись на наші знання фізики атмосфери», – розповів Чілінгарян в інтерв’ю ScienceAlert.
«Синергія атмосферних, космічних і сонячних прискорювачів важлива для розуміння природи!» Результати дослідження будуть опубліковані в журналі Physical Review D.