В процессе грозы наблюдаются вспышки гамма-излучения различной силы. Природа их возникновения и взаимосвязь с молниями до сих пор остаются не до конца понятными. Новое исследование показало, что грозовые вспышки гамма-излучения гораздо чаще встречаются и более разнообразны, чем считалось ранее.
Гром и молнии – это лишь видимая часть более масштабного комплекса высокоэнергетических процессов, происходящих в атмосфере во время грозы. В 1994 году спутник NASA «Обсерватория Комптон», предназначенный для наблюдения за гамма-всплесками в космосе, неожиданно зафиксировал вспышку гамма-излучения, возникшую на Земле.
В дальнейших исследованиях было установлено наличие земных гамма-вспышек с высокой интенсивностью ( terrestrial gamma-ray flashes). Кроме них, известно и о менее ярких, но более длительных вспышках гамма-излучения ( gamma-ray glows). Природа и причины возникновения этих явлений до конца не изучены.
Ученые из Европы и Соединенных Штатов изучили информацию, собранную летающей авиалабораторией в 2023 году. Она фиксировала гамма-излучение во время гроз над океаном и на суше в районе Карибского бассейна и Центральной Америки. Результаты исследования были опубликованы в виде двух статей в журнале Nature.
«По словам Стива Каммера из Дьюкского университета (США), соавтора обеих работ, во время гроз генерируются гамма-лучи, причем в разнообразных формах и на протяжении всего дня. Оказывается, эти масштабные явления сопровождаются гораздо большим количеством процессов, чем принято считать.
В общих чертах известно, как формируется гамма-излучение во время грозы. Вначале внутри взвеси воды, града и льда, составляющих тучу, возникает электростатический заряд. Положительно заряженные частицы располагаются в верхней части, а отрицательно заряженные – в нижней. Это приводит к возникновению мощного электрического поля, которое ускоряет находящиеся там электроны. При случайном столкновении с молекулами воздуха, электроны выбивают из них высокоэнергетические частицы. В свою очередь, эти частицы выбивают еще больше частиц. Процесс приобретает лавинообразный характер, генерируя большое количество вторичных частиц, в том числе гамма-квантов.
В рамках исследования ученые использовали лабораторию NASA ER-2, изначально созданную на базе разведывательного самолета U2 времен холодной войны. Этот самолет способен летать на высоте вдвое превышающей высоту полетов гражданских воздушных судов, поднимаясь выше грозовых облаков. Благодаря высокой скорости, он позволяет быстро перемещаться и выбирать наиболее подходящие грозовые образования. В течение месяца над тропическими районами Флориды было совершено 10 исследовательских полетов.
В первой статье Николай Остгаард из университета Бергена (Норвегия) совместно с коллегами описал новый тип вспышек-гамма излучения — мерцающий. Они состоят из импульсов продолжительностью примерно 250 миллисекунд, тогда как земные гамма-вспышки длятся в два раза меньше. Всего исследователи зарегистрировали 24 мерцающих события во время пяти полетов выше грозы. Из них 17 сопровождались молниями.
Авторы считают, что мерцающая гамма-вспышка начинается как свечение, которое впоследствии резко увеличивает свою интенсивность и переходит в последовательность импульсов. Возможно, именно мерцающие гамма-вспышки инициируют некоторые молниевидные разряды. Ученые полагают, что мерцание является переходной фазой между гамма-свечением и земной гамма-вспышкой.
Во второй работе, которую возглавил Мартино Марисалди, также из Бергенского университета, исследовали свойства гамма-свечения, которое характеризуется меньшей интенсивностью. Они зарегистрировали события во время шторма, охватившего площадь в 9000 квадратных километров и длившегося три часа.
Установлено, что гамма-излучение данного типа не является чем-то необычным и проявляется в различных формах. В ходе девяти из десяти полетов было зафиксировано свыше 500 гамма-свечений продолжительностью от одной до 10 секунд каждое. Это противоречит предыдущим исследованиям, которые отмечали равномерные и более продолжительные вспышки — занимающие десятки, сотни секунд.