Гамма-лучи из грозовых облаков: новые открытия
Нейтронные звёзды, вспышки сверхновых и другие чрезвычайно энергетические явления во Вселенной производят гамма-лучи — излучение с наивысшей энергией в электромагнитном спектре. Ближе к дому, на Солнце, также наблюдаются гамма-лучи, а на Земле источниками гамма-излучения являются ядерные взрывы, радиоактивный распад определённых материалов (иногда применяемый в медицинских целях) и — как известно уже около 30 лет — молнии.
Однако многие детали гамма-лучей, порождаемых молниями, включая их распространённость, оставались неясными с момента их открытия несколько десятилетий назад. Ежедневно в грозах по всей планете происходит более 3 миллионов молний. Сколько из этих разрядов излучают гамма-радиацию?
Такая информация важна для улучшения нашего понимания химии и динамики грозовых облаков и других особенностей, что, в свою очередь, повышает точность прогнозирования погоды, включая потенциально опасные условия.
С помощью недавних наблюдений и исследований учёные раскрывают новые сведения о загадках атмосферных гамма-лучей Земли, в том числе о том, что грозовые облака действуют как огромные ускорители частиц, излучая гамма-лучи гораздо чаще, чем считалось ранее.
Ранние наблюдения земных гамма-лучей
Учёные были явно поражены, обнаружив, что такой источник гамма-излучения существует у них «под носом».
В начале 1990-х годов первые наблюдения гамма-лучей в грозах выявили явление, известное как земные гамма-вспышки (ЗГВ). Открытие, сделанное космической обсерваторией Комптона (CGRO), предназначенной для изучения гамма-лучей космического происхождения, стало большим сюрпризом для научного сообщества. Учёные были явно поражены, обнаружив, что такой источник гамма-излучения существует у них «под носом», отметив, что «детекторы на борту CGRO зафиксировали необъяснимое земное явление: кратковременные интенсивные вспышки гамма-лучей» [Fishman et al., 1994].
Открытие сразу же положило начало следующим трём десятилетиям исследований в области атмосферной электродинамики, причём исследователи уделяли пристальное внимание земным гамма-лучам. Однако, оглядываясь назад, становится очевидно, что большую часть этого времени исследования и измерения гамма-лучей затруднялись имеющимся оборудованием. Единственные пригодные для этого детекторы были разработаны для изучения процессов, отличных от ЗГВ. К таким детекторам относятся эксперимент по изучению всплесков и переходных источников (BATSE) на CGRO, высотный солнечный спектроскопический имиджер Реувена Рамати (RHESSI), а также более поздние Astro Rivelatore Gamma a Immagini Leggero и Fermi Gamma-ray Burst Monitor.
BATSE, например, был разработан для изучения всплесков гамма-излучения из космоса, но из-за трудностей с захватом очень коротких (~1 миллисекунда) ЗГВ измерения BATSE были в значительной степени смещены в сторону наиболее интенсивных событий. Тем временем измерения RHESSI иногда объединяли обнаружения фотонов ЗГВ от двух событий в одно [Grefenstette et al., 2008].
Специальная миссия
За несколько лет до открытия ЗГВ, в 1989 году, были зафиксированы первые документально подтверждённые случаи неожиданных молний над грозовыми облаками. Несколько явлений, объединённых под общим названием «переходные светящиеся события» (ПСС), получили мифические названия, такие как синие джеты, эльфы и красные спрайты.
В начале века исследователи начали разрабатывать план изучения этих недавно выявленных атмосферных явлений с Международной космической станции (МКС). Учёные из Университета Валенсии в Испании и Университета Бергена (UiB) в Норвегии, а также Торстен Нойберт из Технического университета Дании инициировали проект «Атмосфера-Космические взаимодействия» (ASIM). Пока Нойберт и его команда возглавляли исследования ПСС, Николай Øстадгард и его группа из UiB разработали прибор, специально предназначенный для изучения ЗГВ, под названием Модульный датчик рентгеновского и гамма-излучения (MXGS) в рамках проекта ASIM.
Открытие того, что земные гамма-вспышки происходят перед видимыми вспышками молний, имело решающее значение для создания теоретической основы последовательности событий в грозах.
В 2018 году полезная нагрузка ASIM была наконец запущена в космос и установлена на модуль «Колумбус» МКС. С этой точки зрения, расположенной на высоте более 400 километров над землёй, ASIM мог наблюдать за происходящим во время гроз сверху. В последующие годы учёные сообщили о нескольких новаторских наблюдениях.
Например, Østgaard et al. [2019] обнаружили, что ЗГВ, наблюдаемые из космоса, на самом деле происходят до или одновременно с оптическими (видимым светом) импульсами молний. Затем Østgaard et al. [2021] обнаружили, что задержка оптического импульса в этих случаях хорошо объясняется рассеиванием света в облаках. Это открытие, что ЗГВ происходят до видимых вспышек молний, имело решающее значение для создания теоретической основы последовательности событий в грозах. Это означает, что электроны ускоряются до релятивистских энергий в электрических полях, связанных с длинными проводящими лидерами, и что оптический импульс, который мы видим из космоса, является признаком разряда лидера, который следует за этим.
В другом исследовании Neubert et al. [2019] сообщили о первом одновременном наблюдении ЗГВ и ПСС, известных как эльфы (выбросы света и очень низкочастотные возмущения), подтвердив предыдущие теоретические предсказания их совместного возникновения.
ALOFT меняет правила игры
Наблюдения ASIM дали большое представление о ЗГВ, но оставался вопрос, существует ли значительное количество ЗГВ, которые слишком слабы, чтобы их можно было наблюдать из космоса. Этот вопрос, рассмотренный и обсуждённый Østgaard et al. [2012], мотивировал лётную кампанию Airborne Lightning Observatory for FEGS and TGFs (ALOFT), совместную работу UiB и NASA, летом 2023 года.
Опираясь на свой опыт разработки MXGS, учёные из UiB создали новый прибор под названием UiB-BGO для измерения гамма-излучения с самолёта NASA ER-2. Хотя детектор и передняя электроника были аналогичны MXGS, система, используемая на ASIM для запуска измерений гамма-излучения, была заменена системой сбора и хранения данных, которая позволяла непрерывно записывать данные во время полётов.
Результаты лётной кампании ALOFT оказались революционными.
Было проведено десять полётов ALOFT, при этом NASA эксплуатировала ER-2 с авиабазы Макдилл во Флориде. Самолёт посещал тропические грозы вокруг Мексиканского залива, Центральной Америки и Карибского бассейна, пролетая чуть выше грозовых облаков на высоте около 20 километров и приближая UiB-BGO как можно ближе к разворачивающимся зрелищным событиям.
Телеметрия в реальном времени о скорости счёта гамма-излучения позволяла учёным сразу же распознавать, летит ли самолёт над штормом, излучающим гамма-лучи. Затем они могли дать указание пилоту повернуть и просканировать область ещё раз, чтобы максимизировать обнаружение гамма-излучения. Полезная нагрузка прибора ER-2 также включала датчики молний и микроволновые датчики, которые предоставляли данные о характеристиках грозовых облаков.
Результаты ALOFT оказались революционными. До лётной кампании земные гамма-лучи считались редкими, и были отмечены только два типа — микросекундные всплески ЗГВ и гамма-свечения, длившиеся минуты. Это предыдущее понимание теперь было значительно обновлено.
Мерцающие вспышки и кипящие свечения
Наблюдения многочисленных событий гамма-излучения в ходе кампании ALOFT позволяют предположить, что ЗГВ происходят до 100 раз чаще, чем считалось ранее [Østgaard et al., 2024; Marisaldi et al., 2024; Bjørge-Engeland et al., 2024]. Оказывается, что значительная часть ЗГВ действительно слишком слаба, чтобы её можно было наблюдать из космоса, показывая, что предыдущие попытки обнаружения из космоса лишь слегка затронули верхушку айсберга. Кроме того, в отличие от предыдущих лётных кампаний, которые циркулировали по окраинам грозовых облаков, ALOFT ER-2 летел прямо над грозовыми облаками, что позволило ему обнаружить слабую популяцию ЗГВ.
Данные ALOFT также позволили идентифицировать третий, ранее не обнаруженный феномен земного гамма-излучения под названием мерцающие гамма-вспышки (МГВ), которые, по-видимому, сочетают в себе характеристики как ЗГВ, так и гамма-свечений [Østgaard et al., 2024]. МГВ начинаются как свечения, прежде чем усиливаются до пульсирующих последовательностей гамма-излучения, напоминающих ЗГВ, за исключением того, что импульсы длятся дольше (~2 миллисекунды), а последовательности в целом длятся от десятков до сотен миллисекунд. Как и в случае с гамма-свечениями, но в отличие от ЗГВ, инициирование МГВ не связано с обнаружимыми оптическими или радиосигналами, включая разряды молний.
Старое представление о гамма-свечениях продолжительностью в минуты также должно быть пересмотрено. Недавние наблюдения показывают, что грозовые облака на самом деле могут излучать гамма-лучи в течение часов, и это излучение может охватывать многие тысячи квадратных километров. Они также кажутся очень динамичными в пространстве и времени, при этом гамма-свечения вспыхивают на 1–10 секунд в разное время в разных местах в наиболее конвективных ядрах облачной системы, напоминая пузыри в кипящем котле [Marisaldi et al., 2024].
Пересмотр роли атмосферных гамма-лучей
Грозовые облака — это, действительно, огромные ускорители частиц, а гамма-излучение, отнюдь не редкость, является неотъемлемой частью высококонвективных систем.
Революционные результаты кампании ALOFT предполагают пересмотренный взгляд на роль гамма-лучей в атмосфере и необходимость пересмотра существующих рамок, описывающих гамма-лучевые явления. Грозовые облака — это, действительно, огромные ускорители частиц, а гамма-излучение, отнюдь не редкость, является неотъемлемой частью высококонвективных систем.
Оценка последствий этих новых знаний будет мотивировать дополнительные вопросы и продолжение изучения атмосферной электродинамики. Возможно, например, что генерация гамма-излучения вносит важный вклад в инициирование молний, по крайней мере, для значительной части молний.
Учитывая, что в любой момент на планете активны около 2000 гроз, а ежедневно во всём мире происходит около 3 миллионов молний, дальнейшее выяснение эффектов генерации и распространения гамма-излучения на динамику грозовых облаков является фундаментальной необходимостью для улучшения нашего понимания и способности прогнозировать погоду и атмосферную среду на планете.