Гроза — это не только гром и молнии, но и целый мир высокоэнергетических явлений, скрывающихся под этим зрелищным фасадом. Один из таких феноменов, гамма-вспышки, долго оставался загадкой для учёных. Новое исследование показало, что эти вспышки гораздо более распространены и многообразны, чем считалось раньше.
В 1994 году спутник NASA "Обсерватория Комптон", первоначально запущенный для наблюдения за гамма-всплесками в космосе, случайно зафиксировал вспышку гамма-излучения, исходящую с Земли. Позже было подтверждено существование так называемых земных гамма-вспышек высокой интенсивности. Кроме них были обнаружены менее яркие, но более длительные свечения гамма-лучей, которые получили название гамма-свечения. Однако механизмы их возникновения до конца не были понятны.
Ученые из Европейского Союза и США взяли на вооружение данные летающей лаборатории, собранные в 2023 году. Аппаратура регистрировала гамма-лучи во время океанских и сухопутных гроз в Карибском бассейне и над Центральной Америкой.
Стив Каммер из Дьюкского университета (США), один из соавторов исследования, отметил, что во время гроз происходит гораздо больше, чем можно себе представить. Оказалось, что крупные грозовые события генерируют гамма-лучи весь день в самых различных формах.
В общих чертах механизм образования гамма-излучения во время грозы известен. Внутри грозовой тучи, состоящей из воды, града и льда, накапливаются электростатические заряды. Положительно заряженные частицы поднимаются вверх, а отрицательно заряженные опускаются вниз. Это создает мощное электрическое поле, которое ускоряет электроны. Стыкуясь с молекулами воздуха, они выбивают высокоэнергетические электроны, которые, в свою очередь, выбивают еще больше частиц. Этот лавинообразный процесс рождает множество вторичных частиц, включая гамма-кванты.
Для проведения исследований учёные использовали летающую лабораторию NASA ER-2, переоборудованную из самолёта-шпиона U2, разработанного в годы холодной войны. Машина поднимается на высоту в два раза большую, чем гражданские самолеты, что позволяет ей летать над грозовыми тучами. Высокая скорость аппарата обеспечивает возможность быстрого маневра для выбора самых перспективных грозовых образований. Исследователи совершили 10 полетов над тропическими районами Флориды в течение одного месяца.
В первой статье Николай Остгаард из Бергенского университета (Норвегия) и его коллеги описали новый тип гамма-вспышек, который они назвали мерцающими. Эти вспышки состоят из импульсов продолжительностью около 250 миллисекунд, в то время как классические земные гамма-вспышки длятся вдвое меньше. В ходе исследования было зафиксировано 24 мерцающих события во время пяти полетов над грозами. Семнадцать из них совпали с молниями.
Учёные предположили, что мерцающая гамма-вспышка начинается как гамма-свечение, которое затем внезапно усиливается и превращается в серию импульсов. Возможно, что мерцающие гамма-вспышки являются каталитической причиной некоторых молниевых разрядов. Мерцание, по мнению исследователей, может быть промежуточным звеном между гамма-свечением и классической земной гамма-вспышкой.
Во второй статье, возглавляемой Мартино Марисалди из Бергенского университета, ученые изучили свойства менее интенсивных гамма-свечений. Было зафиксировано событие, охватившее площадь в 9000 квадратных километров и продолжавшееся три часа. Оказалось, что гамма-излучение этого типа встречается часто и принимает различные формы. Во время девяти из 10 полётов было зарегистрировано более 500 гамма-свечений, каждое из которых продолжалось от одной до 10 секунд. Это противоречит предыдущим исследованиям, которые фиксировали более длительные и равномерно распространяющиеся вспышки.
Таким образом, новое исследование открывает перед нами гораздо более сложную и разнообразную картину грозовых явлений, чем мы могли представить ранее. Гaммa-вспышки и свечения являются лишь частью этого удивительного спектра атмосферных событий.