Физики обнаружили грозовые гамма-вспышки нового типа

Тропический шторм с молниями около аэропорта Санта-Марта в Колумбии / © Oscar van der Velde

Во время грозы возникают вспышки гамма-излучения разной интенсивности. Механизм их развития и связь с молниями остаются во многом загадочными. В новой работе ученые показали, что грозовые гамма-вспышки гораздо более распространены и разнообразны, чем принято было считать.

Гром и молнии — лишь вершина айсберга, скрывающего в себе целый класс высокоэнергетических явлений в атмосфере во время грозы. Так, в 1994 году на спутнике NASA «Обсерватория Комптон», наблюдавшем за гамма-всплесками в космосе, случайно зарегистрировали вспышку гамма-излучения с Земли.

В последующих работах подтвердили существование земных гамма-вспышек высокой интенсивности (terrestrial gamma-ray flashes). Кроме них, известно еще о менее интенсивных и более продолжительных свечениях гамма-лучей (gamma-ray glows). Характеристика и механизм зарождения этих явлений не вполне ясны.

Ученые из ЕС и США проанализировали данные летающей авиалаборатории за 2023 год, регистрировавшей гамма-лучи во время океанских и сухопутных гроз в Карибском бассейне и над Центральной Америкой. Их исследование в виде двух статей вышло в журнале Nature.

«Во время гроз происходит гораздо больше, чем можно себе представить. Выяснилось, что все такие крупные события генерируют гамма-лучи весь день во многих различных формах», — прокомментировал исследование Стив Каммер из Дьюкского университета (США), соавтор обеих работ.

Пурпурное излучение из грозовой тучи — это визуализация свечения гамма-вспышек / © The ALOFT team / Mount Visual, licensed under CC BY 4.0

В общих чертах механизм образования гамма-излучения во время грозы известен. Сначала внутри взвеси воды, града, льда, образующих тучу, возникает электростатический заряд. Положительно заряженные частицы оказываются сверху, отрицательно заряженные опускаются вниз. Возникает сильнейшее электрическое поле, которое ускоряет оказавшиеся там электроны. Сталкиваясь случайно с молекулами воздуха, они выбивают из них высокоэнергетические электроны. А те выбивают еще и еще. Процесс принимает лавинообразный характер, порождая массу вторичных частиц, включая гамма-кванты.

Для исследования ученые воспользовались лабораторией NASA ER-2, переоборудованной из самолета-шпиона времен холодной войны U2. Машина летает в два раза выше, чем гражданские суда, поднимаясь над грозовыми тучами. У нее высокая скорость, что позволяет быстро перемещаться, выбирая наиболее перспективные грозовые тучи. Исследователи совершили на ней 10 полетов в течение месяца над тропическими областями Флориды.

В первой статье Николай Остгаард из Бергенского университета (Норвегия) 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 предположили, что мерцающая гамма-вспышка начинается как свечение, которое затем внезапно наращивает интенсивность и превращается в серию импульсов. Не исключено, что мерцающие гамма-вспышки служат спусковым крючком для некоторых молниевых разрядов. По мнению ученых, мерцание — это промежуточное звено между гамма-свечением и земной гамма-вспышкой.

Во второй работе ученые во главе с Мартино Марисалди, тоже 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.

Выяснилось, что гамма-излучение этого типа не редкое и принимает разные формы. Всего во время девяти из 10 полетов зарегистрировал более чем 500 гамма-свечений длительностью от одной до 10 секунд каждое. Это идет вразрез с предыдущими работами, фиксировавшими равномерно распространяющиеся, более длительные вспышки — на десятки, сотни секунд.