Книга: 100 великих тайн Земли

Время летних гамма-гроз

Время летних гамма-гроз

В день летней грозы многих и теперь, как в древние времена, охватывает оторопь, ощущение угрозы. Сколько раз за лето каждый из нас видит вспышку молнии на небесах, и всякий раз ее огонь кажется таинственным – этот затертый эпитет словно свежеет от жара молнии, наливается кровью. Да и ученый мир подтвердит, что, как ни сильна наука, познавшая все от атомов до созвездий, перед феноменом молнии – электрического разряда, возникающего между грозовой тучей и поверхностью Земли, – долго пасовала и она.

Всякий раз огонь молнии кажется таинственным

Так, неясно было даже, почему небо вдруг рассекают эти ослепительные вспышки, что вызывает их. Зарождение молнии начинается с того, что в грозовом облаке происходит разделение электрических зарядов: отрицательно заряженные частицы отделяются от положительно заряженных. Так в грозовом облаке создается электрическое поле. Когда его напряженность достигает критической величины – 2 миллионов вольт на метр, в облаке возникает пробой. Лавина электронов мчится в сторону земли, оставляя после себя полосу (канал) ионизованного воздуха. По этому каналу к земле устремляется молния. Сила тока в канале достигает 100 тысяч ампер, а температура – 30 тысяч градусов. Стремительно расширяющийся поток воздуха и порождает мощную звуковую волну, которая воспринимается нами как гром. Таково популярное объяснение этого феномена.

Как ни стройна эта теория, она не подтверждается фактами. Судя по результатам измерений, напряженность электрического поля в грозовом облаке примерно в 10 раз ниже той критической величины, которая нужна для того, чтобы вспыхнула молния.

В начале 1990-х годов российский физик Александр Гуревич, подыскивая объяснение этому факту, предложил новую гипотезу. В атмосферу нашей планеты постоянно проникают высокоэнергетичные частицы, прилетающие из космоса. При их столкновении с молекулами азота и кислорода образуются, в частности, электроны, движущиеся очень быстро. Электрическое поле, возникшее в грозовом облаке, по расчетам Гуревича, разгоняет их почти до световой скорости. Для этого достаточно, чтобы напряженность поля составляла порядка 200 тысяч вольт на метр, что хорошо совпадает с результатами наблюдения. При столкновении этих электронов с молекулами воздуха возникают все новые высокоэнергетичные электроны. Настоящей лавиной они мчатся к земле, вызывая пробой в атмосфере. При этом испускается рентгеновское и гамма-излучение, которое фиксируют спутники.

Итак, все больше фактов доказывает, что молнии порождаются частицами, прилетевшими из космоса. Однако многое в происходящем процессе по-прежнему неясно ученым. Так, энергия и интенсивность рентгеновского излучения, возникающего во время грозы, не совпадает с моделью, предложенной Гуревичем. Стоит добавить, что мы по-прежнему очень далеки от того, чтобы использовать энергию молнии для своих целей.

Изучение молний – достаточно сложный и дорогостоящий процесс. Как полемически заявил один из исследователей, «мы находимся в совершенно неизведанной области». Вопросов накопилось немало. Правда ли, что бывают супермолнии, когда сила тока превышает 300 тысяч ампер (обычно она гораздо ниже)? Зависит ли активность молний от загрязнения окружающей среды или, говоря иными словами, вспыхивают ли молнии над крупными городами чаще, чем над сельской глубинкой? Верно ли, что во время грозы наблюдаются всплески гамма-излучения и выбросы антивещества?

Стоило, к примеру, дождаться космической эпохи, чтобы узреть, что пылающая стрела метит не только в одинокие дубы или башни, но и летит ввысь. Лишь в 1989 году были впервые сфотографированы слабо светящиеся молнии, вспыхивающие на доли секунды в верхних слоях атмосферы, примерно в 40—80 километрах от Земли, и окрашенные в яркие цвета. На снимках, сделанных из космоса, видны невероятной величины огненные столпы. Одни напоминают гриб, выросший в небе; другие – частокол, словно огородивший небесный град. Они достигают порой в поперечнике 90 километров, но сила их свечения невелика, а потому с поверхности Земли их не увидать.

Эти молнии, красные «спрайты» и голубые «джеты», нередко сравнивают со сполохами полярного сияния. Но если последние возникают при проникновении из космоса высокоэнергетичных протонов и электронов, то для подобных молний источником энергии становятся грозовые разряды. Природа этих атмосферных явлений, наблюдаемых во время грозы, все еще остается неясна. Возможно, они – лишь часть, «недостающая часть» громадного поля электричества, которое разлито повсюду – от поверхности Земли до ионосферы.

Кстати, лишь недавно подтвердилось, что удары молний сопровождаются всплесками гамма-излучения (впервые подобная гипотеза была высказана несколько десятилетий назад).

В 2008 году на орбиту был выведен космический телескоп «Ферми». В его задачу входило наблюдение за гамма-вспышками – самыми мощными источниками электромагнитного излучения, известными науке. Эти вспышки происходят в отдаленных областях космоса.

Однако уже за первые пару лет работы этот телескоп зарегистрировал еще и 130 всплесков гамма-излучения, возникавших где-то в окрестностях Земли. Когда ученые проанализировали эти события, то убедились, что всякий раз всплеск излучения наблюдался там, где бушевала гроза. Впрочем, для физиков это не стало новостью. Им уже было известно, что близ верхнего края облака могут наблюдаться подобные всплески. Ведь мощное напряжение возникает не только между грозовой тучей и землей, но и между тучей и лежащими выше слоями атмосферы. На высоте от 20 до 80 километров может генерироваться напряжение до 20 миллионов вольт. Оно разгоняет электроны, и те лавиной устремляются ввысь. Мчась со скоростью, близкой к световой, они сталкиваются с молекулами воздуха, и тогда испускается гамма-излучение.

Зато, как выяснилось, это излучение зачастую – а возможно, всегда – трансформируется в поток частиц и античастиц, электронов и позитронов. Этот поток, прорезав верхние слои атмосферы, уносится в космическую даль. Телескоп «Ферми», изучающий события вселенских масштабов, порой замечает и эти лучи позитронов, покидающих Землю под покровом грозовых бурь. Когда, достигая телескопа, позитроны проникают в детекторы и сталкиваются здесь с электронами, то те и другие уничтожаются, вновь превращаясь в гамма-излучение, которое и фиксирует детектор.

Обнаруженные сигналы – первое четкое доказательство того, что на Земле во время грозы образуются потоки античастиц. Часто ли это происходит? Первая «заявленная цифра» – 130 раз за два с половиной года работы – не означает ровным счетом ничего. Или значит только одно: этот феномен есть. Он наблюдается на нашей планете. Специалисты, работающие с телескопом «Ферми», предполагают, что ежедневно в разных уголках Земли во время гроз происходит около 500 всплесков гамма-излучения, устремляющегося прочь от Земли. Однако в большинстве своем они остаются незамеченными, поскольку их не регистрирует, разумеется, ни один наземный детектор.

А, кстати, если вернуться к гипотезе Гуревича, может, именно всплески гамма-излучения становятся тем «спусковым механизмом», после срабатывания которого небосвод освещает молния, размышляют исследователи на страницах журнала Geophysical Research Letters. В любом случае полученные результаты приближают нас к пониманию того, что происходит во время грозы.