В 1990-х годах спутники НАСА, созданные для выявления высокоэнергетических частиц, исходящих от сверхновых и других объектов космического масштаба, обнаружили сюрприз — высокоэнергетические всплески гамма-излучения, исходящие прямо с Земли. Хотя на определение источника этих радиоактивных частиц ушло не так много времени, оценки его частоты не существовало. Спутники не были созданы для обнаружения гамма-излучения, исходящего от Земли, и для этого им нужно было оказаться в нужном месте и в нужное время.

После нескольких лет работы с платформами, которые не идеально подходили для этой задачи, группа ученых получила возможность пролететь над штормами в переоборудованном самолете-шпионе U2, принадлежащим НАСА. Это позволило как следует рассмотреть происходящее. 

Команда обнаружила, что гамма-излучение, возникающее во время гроз, встречается гораздо чаще, чем кто-либо думал, и что динамика, вызывающая это излучение, хранит в себе массу загадок, которые еще предстоит разгадать.

Небесные лучи

"Во время гроз происходит гораздо больше, чем мы могли себе представить, — говорит Стив Каммер из Дюкского университет, который был соавтором двух научных статей, основанных на данных недавнего наблюдения. — Оказывается, по сути, все сильные грозы постоянно генерируют гамма-лучи".

Физика этого процесса не является загадкой. По мере развития грозы вихревые потоки превращают капли воды, град и лед в смесь, которая создает электрический заряд. Это похоже на то, когда воздушный шарик трется о рубашку. Положительно заряженные частицы оказываются на вершине шторма, а отрицательные опускаются ниже, создавая огромное электрическое поле. При этом его сила может быть сравнимой с сотней миллионов батареек типа АА, сложенных встык.

Когда другие заряженные частицы, например электроны, оказываются в таком сильном поле, они ускоряются. Если им удается достичь достаточной скорости и случайно столкнуться с молекулой воздуха, то они выбивают другие электроны с высокой энергией. Этот процесс протекает каскадно до тех пор, пока столкновения не наберут достаточно энергии для возникновения ядерных реакций, вызывающих чрезвычайно сильные и чрезвычайно быстрые вспышки гамма-лучей, антивещества и других форм излучения.

В поисках света

Но на этом история грозового гамма-излучения не закончилась. Самолеты, пролетающие вблизи грозы, также наблюдали слабое свечение гамма-излучения, исходящее от облаков. Это наталкивает на мысль о том, что у этих штормов достаточно энергии, чтобы вызвать появление небольшого количества гамма-излучения, но что-то мешает этому процессу создать полноценный взрыв, подобный хлопающему зерну кукурузы.

"Несколько авиационных кампаний пытались выяснить, распространены ли эти явления или нет, но результаты были неоднозначными, а ряд полетов над Соединенными Штатами вообще не обнаружил никакого гамма-излучения, — рассказывает Каммер. — Наш проект был разработан, чтобы ответить на эти вопросы раз и навсегда".

Для проведения исследования, команда ученых получила в свое распоряжение модернизированный самолет-разведчик U2, который в руках NASA получил классификацию ER-2. Несмотря на то, что эта относительно старая машина — использовалась военными во время холодной войны — она имеет возможность подниматься в два раза выше, чем обычно летают коммерческие лайнеры, и существенно выше большинства гроз. Это, в сочетании с высокой скоростью полета, дает команде возможность выбрать именно те грозы, исследование которых с наибольшей вероятностью принесет результаты.

"Самолет ER-2 станет идеальной платформой для наблюдения за гамма-лучами грозовых облаков, — говорит ведущий исследователь Николай Остгаард из Бергенского университета. — Пролетая на высоте 20 км, мы можем оказаться прямо над вершиной облака, как можно ближе к источнику гамма-излучения".

Исходя из того, что команда получила идеально подходящую для исследования технику и доступ к идеальным для наблюдений широтам, ожидалось, что результаты также идеально совпадут с прогнозами. Иными словами, ученые думали, что явления, которые считались редкими, почти не будут встречаться. На деле, в течение месяца ER-2 совершил десять полетов над сильными штормами в тропиках к югу от Флориды, и девять из них выявили гамма-излучение, которое также было более динамичным, чем ожидалось.

"Динамика грозовых облаков резко противоречит прежней квазистационарной картине свечений и скорее напоминает огромный кипящий котел гамма-излучения, как по форме, так и по поведению", — рассказывает Мартино Марисалди из Университета Бергена.

Бурлящий котел

Учитывая, что как правило грозы в тропиках намного крупнее, чем в других широтах, можно предположить, что более половины из них являются радиоактивными. Исследователи постулируют, что это низкоуровневое гамма-излучение действует как пар, вырывающийся из кастрюли с водой, и ограничивает количество энергии, которое может накопиться внутри.

Учены были не менее рады увидеть многочисленные примеры коротких и интенсивных всплесков гамма-излучения, исходящих от одних и тех же гроз. В некоторых случаях они были в точности похожи на те, которые первоначально обнаружили спутники НАСА. При этом, такие всплески почти всегда происходили в сочетании с активным грозовым разрядом. Это говорит о том, что большое электрическое поле, создаваемое молнией, вероятно, позволяет электронам провоцировать высокоэнергетические ядерные реакции.

Кроме того было зафиксировано по крайней мере два других типа коротких всплесков гамма-излучения, которые никогда раньше не наблюдались. Один из них — невероятно короткий, менее тысячной доли секунды, а другой представляет собой последовательность примерно из 10 отдельных всплесков, повторяющихся в течение примерно десятой доли секунды.

"Эти две новые формы гамма-излучения — то, что я считаю наиболее интересным, — объясняет Каммер. — Похоже, что они не связаны с появлением вспышек молний. Они каким-то образом возникают спонтанно. В данных есть намеки на то, что они на самом деле могут быть связаны с процессами, которые приводят к вспышкам молний и до сих пор остаются загадкой для ученых".

Если кто-то и беспокоится о том, что из-за всего этого гамма-излучения он может превратиться в Халка, добавил Каммер, то не стоит переживать. Количество производимой радиации опасно только если человек или объект находится достаточно близко к источнику излучения.

"Если вы окажетесь там, радиация будет наименьшей из ваших проблем. Самолеты избегают полетов в активных грозовых ядрах из-за сильной турбулентности и ветров, — говорит Каммер. — Даже зная то, что мы знаем сейчас, я не беспокоюсь о полетах больше, чем раньше".

Оба исследования опубликованы в журнале Nature. Ознакомиться с ними можно тут и тут.