Электрические эффекты грозы не ограничиваются только высокими слоями атмосферы. Вблизи земли атмосфера Земли гудит интенсивными электрическими полями, которые ускоряют частицы, выбрасывая электроны таким образом, что атомы начинают светиться гамма-лучами. Результаты нового исследования опубликованы в журнале Physical Review D.
С вершины горы в Армении ученые внимательно рассмотрели это загадочное метеорологическое явление. В лаборатории космических лучей Национальной научной лаборатории имени Алиханяна на горе Арагац физик Ашот Чилингарян и его коллеги работают над изучением эффектов усиления грозовой активности на земле (TGE).
Чилингарян утверждает, что это электромагнитное усиление было упущено из виду при исследовании гроз, но оно может стать частью головоломки в нашем понимании физической Вселенной, от гроз здесь, на Земле, до космических лучей, которые преодолевают огромные расстояния в космосе.
«Каждый день происходит 40 000 гроз. Многочисленные сети, обнаруживающие атмосферные разряды, и спутники с точными оптическими приборами отслеживают вспышки молний . Тем не менее, когда мы начинали исследования TGE, никто не отслеживал огромный поток мегаэлектронвольтных (МэВ) электронов, бомбардирующих нашу планету и пространство над ней», — сказал он. «Десять лет назад мы создали сеть детекторов частиц SEVAN для мониторинга TGE в Восточной Европе, Германии и Армении. Ускорители электронов с энергией в десятки МэВ охватывают огромные объемы в атмосфере и многие квадратные километры на поверхности Земли. Этот огромный поток сопровождает жизнь на Земле на протяжении миллиардов лет ее эволюции и, несомненно, влияет на все аспекты геопространства и биосферы».
TGE состоят из электрических полей в атмосфере, которые генерируются грозами. В этих электрических полях электроны ускоряются до высоких скоростей — скоростей, приближающихся к скорости света в вакууме, или релятивистских скоростей.
Они известны как релятивистские лавины убегающих электронов, которые движутся электрическим полем как к земле, так и вверх в атмосферу. Именно эти электроны производят излучение.
Когда они внезапно замедляются, отклоняясь при столкновении с атомным ядром в атмосфере, потеря энергии проявляется в виде гамма-лучей — формы излучения, известной как тормозное излучение.
Используя свою сеть детекторов, Чилингарян и его коллеги собрали данные о грозах по всей Европе в 2023 году, выполнив подробные измерения электронов и гамма-излучения, возникавших во время 56 зарегистрированных ими интенсивных TGE.
Наиболее интенсивные TGE в основном происходили с мая по июль, а наиболее мощное было зафиксировано на горе Ломницкий штит в Словакии в мае. Для этого одного события поток частиц был в 100 раз больше обычного уровня ясной погоды. Всего было семь событий, которые превысили поток ясной погоды более чем на 75 процентов.
«Мы измеряем стабильный поток электронов на поверхности Земли, охватывающей сто тысяч квадратных метров. Какой-то механизм обеспечивает эту стабильность в течение минуты или более», — пояснил Чилингарян. «Огромный электронный луч возникает в грозовом облаке, где структура заряда меняется в масштабе секунды. Атмосферные разряды уничтожают разность потенциалов, но поток стабилен. Было волнительно измерять!»
Удивительно, но исследователи также обнаружили, что электрическое поле находится гораздо ближе к земле, чем они ожидали. Они измерили сильную напряженность электрического поля на глубине до 50 метров над землей.
«Это открытие ошеломило метеорологов, которые не поверили в него, пока мы не представили исчерпывающие доказательства», — отметил Чилингарян.
Постоянство ускорения, способное поддерживать поток частиц в течение нескольких минут, а также малая высота электрического поля открывают новые подробности о структуре атмосферных электрических полей и гроз, о которых мы раньше не знали.
Например, TGEs могут обеспечить путь, по которому удары молнии могут достичь земли . И их роль в геофизике необходимо исследовать. Исследователи сделали базу данных TGE с открытым доступом доступной для научного сообщества для изучения и анализа.
Их исследование гроз — лишь часть работы, проделанной на Арагаце. В этом году Солнце достигло неистовства, приближаясь к солнечному максимуму, пику цикла своей активности, посылая в космос частицы, приводимые в действие выбросами корональной массы.
Чилингарян и его коллеги также обнаружили солнечные события с помощью оборудования, установленного на вершине горы, опубликовав три статьи и готовя четвертую.
«Мощные взрывы в нашей галактике также посылают сверхвысокоэнергетические частицы в Солнечную систему. Недавно были обнаружены певатроны, источники гамма-лучей с энергией 10 15 эВ. Мы критически проанализировали это открытие, основываясь на наших знаниях в области физики атмосферы», — сказал Чилингарян. «Синергия атмосферных, космических и солнечных ускорителей важна для понимания природы!»
