У 1990-х роках супутники NASA, розроблені для виявлення частинок високої енергії з небесних явищ, таких як наднові, зробили несподіване відкриття – спалахи гамма-випромінювання високої енергії, що надходять від гроз на Землі. Дослідники швидко пов’язали ці спалахи гамма-випромінювання з грозами, але залишалися питання про те, чи було це поширеним явищем.
Супутники не були оптимізовані для відстеження гамма-випромінювання Землі, і вони повинні були бути в потрібному місці в потрібний час, щоб зафіксувати події. Тепер, завдяки новому підходу, група вчених змогла отримати більш чітку картину. Переоснастивши літак-розвідник NASA U2 для польотів над грозою, команда зробила кілька дивовижних відкриттів.
Гроза створює гамма-випромінювання
У двох статтях, опублікованих у журналі Nature, експерти виявили, що грози створюють гамма-випромінювання набагато частіше, ніж вважалося раніше. Крім того, складна динаміка, що керує цими радіоактивними частинками, відкрила безліч нових таємниць.
«Під час грози відбувається набагато більше, ніж ми могли собі уявити», — сказав співавтор Стів Каммер, професор інженерії в Університеті Дьюка. «Як виявилося, практично всі великі грози генерують гамма-промені протягом усього дня в різних формах».
Фізика грозового випромінювання
Основна фізика того, як грози створюють спалахи гамма-випромінювання високої енергії, не зовсім нова. Під час грози висхідні повітряні потоки та закручені частинки, як-от краплі води, град і лід, створюють електричні заряди.
Ці заряди розділяються, при цьому позитивні заряди піднімаються до вершини шторму, а негативні опускаються донизу, утворюючи електричне поле, досить сильне, щоб дорівнювати 100 мільйонам батарейок АА, складених разом.
Якщо заряджені частинки, такі як електрони, опиняються в цьому електричному полі, вони прискорюються. Як тільки вони стикаються з молекулами повітря на високій швидкості, вони відбивають більше електронів, створюючи ланцюгову реакцію, яка зрештою призводить до ядерних реакцій. Це призводить до спалахів гамма-променів, антиматерії та інших форм випромінювання.
Радіоактивне світіння під час грози
Але в історії є ще щось. Літаки, які летіли поблизу грози, виявили слабке світіння гамма-випромінювання від хмар – енергія, яка є достатньо сильною, щоб створити гамма-промені, але не має вибухового спалаху, який спостерігається під час більш інтенсивних гамма-подій. Це як кипляча каструля, яка створює гамма-випромінювання без повної потужності.
«Кілька авіаційних кампаній намагалися з’ясувати, чи є ці явища поширеними чи ні, але були неоднозначні результати, а кілька кампаній над Сполученими Штатами взагалі не виявили жодного гамма-випромінювання», — сказав Каммер. «Цей проект був розроблений, щоб вирішити ці питання раз і назавжди».
Ідеальний майданчик для спостереження за гамма-випромінюванням
Щоб розгадати цю таємницю, дослідницька група використала висотний науковий літак NASA ER-2, модернізований літак-розвідник U2. Цей літак, пережиток холодної війни, літає вдвічі вище, ніж комерційні реактивні літаки, і приблизно на три милі витримує більшість гроз. Його швидкість дозволила дослідникам визначити найбільш перспективні шторми для вивчення.
«Літак ER-2 стане найкращою платформою для спостереження за гамма-випромінюванням від грозових хмар», — сказав Ніколай Остгаард, професор космічної фізики Бергенського університету в Норвегії та провідний дослідник проекту. «Пролітаючи на висоті 20 км [12,4 милі], ми можемо пролетіти прямо над верхівкою хмар, якомога ближче до джерела гамма-випромінювання».
Команда не знала, чого очікувати. Якби гамма-випромінювання було рідкісним, вони могли б не бачити багато. Але якщо це було звичайним, вони сподівалися знайти багато. І вони не були розчаровані.
Радіоактивні грози – поширене явище
За місяць польотів ER-2 облетів 10 великих тропічних штормів на південь від Флориди, виявивши гамма-випромінювання в 9 з цих штормів. Випромінювання прийшло в більш динамічних і різноманітних формах, ніж очікувалося раніше.
«Динаміка гамма-сяючих грозових хмар різко суперечить колишній квазістаціонарній картині світінь і скоріше нагадує величезну гамма-сяючу киплячу каструлю як за моделлю, так і за поведінкою», — сказав Мартіно Марісалді, професор фізики та технології в Бергенський університет.
Тропічні шторми набагато більші, ніж шторми в інших широтах, і тепер команда вважає, що більше половини всіх тропічних гроз є радіоактивними, з низьким рівнем гамма-випромінювання, що кипить, як пара з киплячого котла. Цей ефект кипіння може діяти як клапан тиску, вивільняючи енергію шторму до того, як він досягне повного гамма-вибуху.
Блискавка може викликати випромінювання
Але команда також спостерігала кілька інтенсивних коротких спалахів гамма-випромінювання. Деякі з них відповідали типу спалахів, які вперше виявили супутники NASA і відбувалися разом із розрядами блискавки. Це свідчить про те, що блискавка перезаряджає електрони під час бурі, запускаючи ядерні реакції, які вивільняють гамма-випромінювання.
Проте, що інтригує, два інших типи гамма-спалахів ніколи раніше не спостерігалися. Один тип триває менше тисячної частки секунди, тоді як інший складається з серії приблизно з 10 спалахів, що відбуваються протягом десятої частки секунди.
«Ці дві нові форми гамма-випромінювання — це те, що мені найбільше цікаво», — сказав Каммер. «Вони, здається, не пов’язані з розвитком спалахів блискавок». «Вони виникають якось спонтанно. У даних є натяки на те, що вони насправді можуть бути пов’язані з процесами, які ініціюють спалахи блискавок, які досі залишаються загадкою для вчених».
Чи небезпечні ці грози?
Усім, хто хвилюється про потенційну небезпеку гамма-випромінювання під час грози, Каммер запропонував деякі запевнення. Кількість виробленої радіації недостатня, щоб становити небезпеку для людей на землі чи в літаках, якщо тільки вони не були дуже близько до джерела.
«Радіація була б найменшою з ваших проблем, якби ви там опинилися. Літаки уникають польотів під час активної грози через надзвичайну турбулентність і вітер», — сказав Каммер. «Навіть знаючи те, що ми знаємо зараз, я не турбуюся про польоти більше, ніж раніше».
Це дослідження показало, скільки ще можна дізнатися про грози та радіоактивне гамма-випромінювання, яке вони створюють. Маючи на руках нові дані, вчені прагнуть продовжувати досліджувати таємниці цих високоенергетичних штормів.