Грозовой реактор
Совсем недавно, несколько лет назад, физики обнаружили, что грозы порождают в атмосфере антиматерию (позитроны) и изотопы некоторых химических элементов. А ранее были обнаружены грозовые нейтроны и гамма-излучение. Но как работает этот природный реактор?
На Земле каждый год бушует огромное количество гроз. Если за полярным кругом они бывают реже одного раза в десять лет, то вблизи экватора — более трёхсот раз в году. За год более четырёх миллионов молний бьют в Землю, пополняя её электрический заряд и поддерживая её электрическое поле. Кроме того, возможны и разряды между облаками. Сила тока в канале молнии может достигать нескольких десятков, а то и сотен тысяч ампер, а температура 30 000 K. Это сравнимо с температурой самых горячих звёзд во Вселенной; напомним, что поверхность нашего Солнца нагрета «всего» на 6000 K.
В 1985 году индийские физики сообщили, что обнаружили во время грозы увеличение регистрируемых потоков нейтронов. Они три года собирали данные в Гималаях, в районе с очень сильной грозовой активностью, где в среднем бьёт 30 молний в сутки. С тех пор повышение уровня нейтронов в атмосфере во время гроз регистрировалось в многочисленных наблюдениях на различных широтах как в высокогорных условиях, так и на уровне моря и даже в ближнем космосе. Количество нейтронов во вспышке может достигать 1010. Рекордной стала гроза 9 января 2009 года в городе Сан Хосе дос Кампос (Бразилия) на высоте 610 м над уровнем моря, во время которой было зарегистрировано увеличение количества нейтронов в 1000 раз на протяжении более двух минут.
В России это явление наблюдали на космической станции «Мир» в 1991 году, на детекторе МГУ в Москве в 1998-м, Тянь-Шанской высокогорной научной станции космических лучей ФИАНа в горах Заилийского Алатау в 2010 и 2013 годах, в лаборатории Института космофизических исследований и аэрономии им. Ю. Г. Шафера СО РАН в долине Туймаада вблизи Якутска в 2009—2012-х. Рассказывают, что в СССР его наблюдали ещё в середине 1980-х годов, но никаких выводов тогда из этого сделано не было.
В настоящее время уже общепризнано, что грозы могут порождать потоки нейтронов. Однако механизм этого явления до сих пор окончательно не прояснён. Первоначально физики предположили, что в канале молний происходят ядерные реакции синтеза с образованием нейтронов, например из дейтерия получается гелий. Гипотезу о возможности ядерных реакций в молниях высказал ещё в 1924 году шотландский физик и метеоролог Чарльз Вильсон (изобретатель знаменитой камеры Вильсона для регистрации треков элементарных частиц и нобелевский лауреат по физике 1927 года). Однако физика того времени не могла её ни обосновать, ни проверить. Поэтому гипотеза была забыта на полвека.
О ней вспомнили в 1973 году американские физики, которые предположили, что благодаря упомянутой ядерной реакции молния способна порождать нейтроны. Их интересовал вклад грозовых нейтронов в производство изотопа углерода 14С, который используется в радиоуглеродном методе определения возраста археологических находок. Обычно предполагается, что он образуется в атмосфере при столкновении вторичных нейтронов от космических лучей с ядрами азота. Поскольку датировка зависит от оценки концентрации 14С, то дополнительные «грозовые атомы» могут вносить случайные ошибки.
Другой вариант объяснения появился после того, как в 1991 году космическая Комптоновская гамма-обсерватория (НАСА) случайно обнаружила интенсивные гаммавспышки от грозовых разрядов. Исследователи, изучавшие на ней космические источники гамма-излучения, сначала посчитали это ошибкой аппаратуры, но, убедившись в реальности явления, назвали его «земными гамма-вспышками» (terrestrial gamma-ray flashes — TGF). Их особенность — малая длительность (от десятков микросекунд до нескольких секунд), сопоставимая с длительностью молний. А в 2012 году был обнаружен и другой тип гамма-излучения от грозовых облаков — так называемое гамма-свечение, которое длится гораздо дольше — от нескольких секунд до нескольких минут (рекорд — 40 минут). Гамма-излучения гроз активно изучают в последнее время различными методами. В частности, это одна из задач российского спутника «Михайло Ломоносов», запущенного в 2016 году.
Грозовое гамма-излучение может быть в 1000 раз сильнее излучения, порождаемого космическими лучами в атмосфере. Поэтому физики предположили, что его испускают электроны, разогнавшиеся до огромных скоростей в сильных электрических полях грозовых облаков. Эти же электроны в соответствии с другой гипотезой всё того же Вильсона приводят и к возникновению молний.
Однако с таким объяснением возникла проблема. Дело в том, что возникновение молнии физики связывали с явлением электрического пробоя. Пробой возникает, если имеющийся в воздухе по какой-либо причине свободный «затравочный» электрон разгоняется до высоких скоростей и, столкнувшись в атмосфере с нейтральным атомом, выбивает из него электроны. Они тоже разгоняются, выбивают ещё больше электронов и всё повторяется. Число электронов лавинообразно нарастает, делая воздух электропроводным и пригодным для прохождения электрического разряда.