През 90-те години на миналия век сателитите на НАСА, създадени, за да откриват високоенергийни частици, идващи от свръхнови и други небесни обекти, откриват изненада - високоенергийни изблици на гама лъчение, идващи именно от Земята.
Макар че изследователите не след дълго разбират, че тези радиоактивни свръхзаредени частици идват от гръмотевични бури, колко често се случва това явление, остава загадка. Сателитите не са създадени, за да откриват гама лъчение, идващо от Земята, и за да го направят, те трябва да са на точното място в точното време.
След като години наред са се задоволявали с платформи, които не са идеални за тази задача, група учени получават възможност да прелетят над бурите с преоборудван шпионски самолет U2, собственост на НАСА, за да ги разгледат както трябва. В две нови статии, публикувани в Nature, екипът открива, че гама лъчението, генерирано от гръмотевични бури, е много по-често срещано, отколкото някой е предполагал, и че динамиката, създаваща това лъчение, крие съкровищница от загадки, които все още не са разгадани.
"В гръмотевичните бури се случва много повече, отколкото някога сме си представяли", споделя Стив Къмър (Steve Cummer), професор по инженерни науки в Университета Дюк, който е съавтор и на двете статии. "Оказва се, че по същество всички големи гръмотевични бури генерират гама лъчи през целия ден в много различни форми."
Физиката, която обяснява как гръмотевичните бури създават високоенергийни изблици на гама лъчение, не е загадка. При развитието на гръмотевичните бури завихрящите се течения задвижват водни капки, градушка и лед в смес, която създава електрически заряд, подобно на триенето на балон върху ризата ви.
Електрическите полета близо до върха на бурята създават движеща се нагоре лавина от електрони. Когато техните пътища се отклоняват от молекули на въздуха, тези електрони излъчват гама лъчи, най-високоенергийната форма на светлина. Когато енергията на гама лъчите се сблъска с електрони, те се ускоряват до скорост, близка до скоростта на светлината. Някои гама лъчи преминават близо до ядрата на атомите. Когато това се случи, гама лъчът се трансформира в електрон и неговата античастица. Електронен/позитронният лъч достига височини, където може да прихване космически кораби, като космическия телескоп Fermi Gamma-ray на НАСА. Тези изображения са базирани на TGF симулация от Джоузеф Дуайър (Joseph R. Dwyer) от Технологичния институт във Флорида.
Положително заредените частици се озовават в горната част на бурята, докато отрицателно заредените частици падат в долната част, създавайки мощно електрическо поле, което може да бъде толкова силно, колкото 100 милиона батерии АА, подредени една до друга.
Когато други заредени частици - например електрони - попаднат в такова силно поле, те се ускоряват. Ако се ускорят до достатъчно висока скорост и попаднат в молекула на въздуха, те изхвърлят още високоенергийни електрони. Процесът протича каскадно, докато сблъсъците имат достатъчно енергия, за да предизвикат ядрени реакции, при които се получават изключително силни и изключително бързи импулси на гама лъчи, антиматерия и други форми на радиация.
Но това не е краят на историята на гама радиацията при гръмотевична буря. Самолети, летящи в близост до гръмотевични бури, също са наблюдавали слабо светене на гама радиация, идваща от облаците. Изглежда, че тези бури имат достатъчно енергия, за да произведат ниско пулсиране на гама радиация, но нещо не ѝ позволява да създаде експлозивен изблик като пукащо се царевично зърно.
"Няколко самолетни кампании се опитваха да разберат дали тези явления са често срещани или не, но резултатите бяха смесени, а няколко кампании над Съединените щати изобщо не откриха никакво гама излъчване", разказва Къмър. "Този проект имаше за цел да отговори на тези въпроси веднъж завинаги."
Изследователската група си осигурява използването на високолетящ научен самолет на НАСА ER-2. Преоборудван шпионски самолет U2, останал от времето на Студената война, той лети два пъти по-високо от пътническите самолети и на около 5 км над повечето гръмотевични бури. Освен това е изключително бърз, което дава възможност на екипа да избере точно тези гръмотевични бури, за които смята, че е най-вероятно да дадат резултати.
"Самолетът ER-2 ще бъде най-добрата платформа за наблюдение на гама лъчи от гръмотевични облаци", коментира Николай Остгаард (Nikolai Østgaard), професор по космическа физика в Университета в Берген, Норвегия, и водещ изследовател на проекта. "Летейки на 20 км, можем да летим директно над горната част на облака, възможно най-близо до източника на гама лъчи."
Тъй като ER-2 е перфектното решение и екипът ще прелети над подходящите бури, изследователите смятат, че ако тези явления са редки, то те едва ли ще видят изобщо такива. Но ако те са често срещани, тогава ще видят много.
И те наистина виждат много.
В продължение на един месец ER-2 извършва 10 полета над големи бури в тропиците на юг от Флорида и при девет от тях се получават наблюдения на гама лъчението от това лято, което също е по-динамично от очакваното.
"Динамиката на гръмотевичните облаци с гама излъчване рязко противоречи на досегашната квазистационарна картина на лъченията и по-скоро наподобява тази на огромен врящ котел с гама излъчване както по модел, така и по поведение", посочва Мартино Марисалди (Martino Marisaldi), професор по физика и технологии в Университета в Берген.
Като се има предвид размерът на типичната гръмотевична буря в тропиците, която е много по-голяма от бурите на други географски ширини, това предполага, че повече от половината от всички гръмотевични бури в тропиците са радиоактивни. Изследователите предполагат, че това ниско ниво на производство на гама радиация действа като пара, която ври в тенджера с вода, и ограничава количеството енергия, което може да се натрупа вътре.
Изследователите са не по-малко впечатлени от многобройните примери за краткотрайни и интензивни изблици на гама лъчение, идващи от същите гръмотевични бури. Някои от тях били точно като тези, които първоначално били засечени от сателитите на НАСА. Те почти винаги се появявали във връзка с активен мълниеносен разряд.
Това предполага, че голямото електрическо поле, създадено от мълнията, вероятно зарежда вече високоенергийните електрони, което им позволява да предизвикат високоенергийни ядрени реакции.
Но са наблюдавани и поне два други вида кратки изблици на гама лъчение, които никога не са били наблюдавани досега. Единият тип е невероятно кратък, по-кратък от една хилядна от секундата, докато другият представлява поредица от около 10 отделни избухвания, които се повтарят в продължение на около една десета от секундата.
"Тези две нови форми на гама лъчение са най-интересните за мен", коментира Къмър. "Изглежда, че те не са свързани с развитието на мълнии. Те се появяват спонтанно по някакъв начин. В данните има намеци, че те всъщност могат да са свързани с процесите, които инициират мълниите, които все още са загадка за учените."
Къмър добавя, че ако някой се притеснява да не се превърне в Хълк от цялата тази гама радиация, не бива да се притеснява. Количеството произведена радиация би било опасно само ако човек или предмет се намира съвсем близо до източника на зараждане.
"Радиацията би била най-малкият ви проблем, ако се окажете там. Самолетите избягват да летят в активните центрове на гръмотевични бури поради силната турбулентност и ветрове", обяснява Къмър. "Дори да знам това, което знаем сега, не се притеснявам да летя повече, отколкото преди."
More information: Nikolai Østgaard, Flickering gamma-ray flashes, the missing link between gamma glows and TGFs, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07893-0. www.nature.com/articles/s41586-024-07893-0
Източник: Surprising amount and variety of gamma radiation is produced in large tropical thunderstorms, observations reveal, Duke University
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари