В МФТИ опровергли общепринятую модель рождения гамма-вспышек в грозовых облаках
Одним из источников атмосферного гамма-излучения являются лавины электронов, возникающие в грозовых электрических полях. В 2003 году американским ученым Джозефом Дваером была предложена модель, описывающая появление подобных лавин, но сложность расчетов до сих пор не давала проверить ее на реальных данных. В лаборатории методов ядерно-физических экспериментов МФТИ нашли способ определения параметров грозового электрического поля, необходимых для реализации этой модели. Последующее сравнение с данными с аэростатов показало несостоятельность модели Дваера. Работа опубликована в журнале Atmospheric Research.
Лето — время гроз и молний. Казалось бы, это природное явление должно быть хорошо изучено. Еще в XVIII веке Франклин показал, что молнии — это электрические разряды. Им же был предложено защищать здания с помощью железного стержня — молниеотвода. Михаил Ломоносов совместно с Георгом Рихманом тогда же активно занимались изучением атмосферного электричества. Но, несмотря на интерес многих ученых, мы до сих пор не знаем, откуда берется молния, как она инициируется. Внутри облаков, как показывают измерения, не бывает таких электрических полей, чтобы естественным образом, согласно существующим моделям электрического пробоя, возникал какой-то большой разряд.
Одним из представлений, откуда вообще может взяться молния, является идея об ускорении высокоэнергетичных электронов в грозовых электрических полях. Ускорение электронов приводит к тому, что появляется много частиц со скоростями, близкими к скорости света. Они, двигаясь сквозь облако, рождают ионизацию, которая может инициировать молнии.
В 70-х годах прошлого века на орбиту были запущены спутники с гамма-детекторами для изучения космического пространства. Через некоторое время исследователи обнаружили, что в атмосфере Земли тоже случаются гамма-всплески, отличающиеся высокой интенсивностью и короткой длительностью, и происходит это явление в грозовых облаках. Гамма-вспышка — это одно из ярких проявлений жизни релятивистких частиц, сигнал, рожденный электронами, ускоряющимися внутри облака. Сегодня ученые пробуют через понимание происхождения гамма-вспышек разобраться с ускорением электронов и приблизиться к пониманию того, что происходит в момент инициации молнии.
Наиболее признанной на сегодняшний день моделью возникновения гамма-вспышек в грозовых облаках является «Релятивистская модель разряда с обратной связью» американского ученого Джозефа Дваера, выдвинутая им в 2003 году. В грозовом электрическом поле есть летящие со скоростью света электроны. Сталкиваясь с атомами воздуха, они выбивают новые электроны, и таким образом их количество увеличивается. Один электрон рождает тысячи, получается лавина. Согласно модели, предложенной американским ученым, взаимодействуя с молекулами воздуха, электроны порождают тормозное гамма-излучение, которое позволяет высвободится позитронам. Они положительно заряжены и движутся в обратную сторону относительно лавины электронов. Позитроны, в свою очередь, тоже сталкиваются с молекулами воздуха и тоже выбивают из них электроны, порождая новые лавины. Таким образом реализуется позитронная обратная связь.
До настоящего времени позитронная обратная связь в создании лавин электронов в грозовых облаках изучалась только с помощью сложного трехмерного моделирования. Из-за сложности моделирования исследователи использовали данные плотности воздуха на уровне поверхности земли, в то время как грозы происходят на других высотах. В результате ученым было непонятно, какие нужны условия, чтобы модель реализовывалась в грозовых облаках.
Научный сотрудник МФТИ Егор Стадничук придумал метод, с помощью которого модель Дваера удалось описать аналитически. Согласно этому методу, размножение частиц в грозовых электрических полях рассчитывается с помощью оператора обратной связи. Впервые была получена формула, описывающая размножение электронов за счет позитронов при любых возможных в атмосфере Земли параметрах. Решение было проверено с помощью библиотеки Монте-Карло-моделирования GEANT4. С применением нового метода получены условия, необходимые для возникновения гамма-вспышек в грозовых облаках за счет позитронной обратной связи.
Рассчитанные условия были сопоставлены с имеющимися на сегодня экспериментальными данными. Оказалось, что реально наблюдаемых электрических полей внутри грозовых облаков недостаточно для возникновения гамма-вспышек, согласно «Релятивистской модели разряда с обратной связью». Для описания размножения релятивистских частиц в грозовых облаках требуются какие-то другие теории. Предложенный в данной работе метод потенциально может найти применимость для теоретического описания других моделей и природных явлений.
Егор Стадничук, научный сотрудник лаборатории методов ядерно-физических экспериментов МФТИ: «Наши расчеты показали, что таких электрических полей, чтобы позитроны сильно размножали лавины, не бывает (экспериментально никогда не наблюдались). Условия для бесконечной позитронной обратной связи трудно соблюсти во время земных гроз, что делает бесконечную позитронную обратную связь менее вероятным сценарием для гамма-вспышек».
В конце прошлого года в лаборатории вышла статья, в которой предлагается новая модель гамма-вспышек, лишенная недостатков «Релятивистской модели разряда с обратной связью». Обе работы для физики атмосферного электричества являются прорывными, поскольку они существенно меняют современные представления ученых о природных явлениях, происходящих внутри грозовых облаков.
В работе кроме ученых МФТИ принимали участие их коллеги из Института прикладной физики РАН (Нижний Новгород).
