През 90-те години на ХХ век учените от НАСА получили неочаквана изненада. Докато сканирали Космоса за изблици на високоенергийни гама-лъчи от свръхнови и черни дупки, те се натъкнали на любопитна находка. Очевидно изблици на гама-радиация са идвали от гръмотевични бури на Земята. И все пак пълната степен на това явление оставаше загадка – досега.
В две нови статии, публикувани в Nature, изследователите разкриват, че гама-радиацията при гръмотевични бури е много по-разпространена, отколкото се смяташе досега. Използвайки модифициран шпионски самолет U2, за да видят по-добре тези бури, учените открили, че гръмотевичните бури постоянно генерират гама-радиация в различни форми.
„В гръмотевичните бури се случва много повече, отколкото някога сме си представяли“, казва Стив Кумър, професор по инженерство в университета Дюк и съавтор на двата документа. „Както се оказа, по същество всички големи гръмотевични бури генерират гама-лъчи през целия ден в много различни форми.“
Гама-лъчи в небето
Гама-лъчите, най-високата енергийна форма на светлината, обикновено се свързват с бурни космически събития. Но гръмотевичните бури също ги произвеждат, макар и под различна форма.
За първи път учени заснеха как се раждат мълниите (ВИДЕО)
През последните три десетилетия учените са знаели за тези кратки, но интензивни изблици на гама-лъчение, известни като земни гама-лъчи (TGF). Те също така разбрали, че гръмотевичните бури произвеждат по-ниско ниво, слабо сияние на гама-лъчи. Механизмът, задвижващ тези изблици, отдавна се приписва на лавина от релативистки бягащи електрони (RREA). Това явление възниква, когато единичен високоенергиен електрон се ускори от електрическото поле на гръмотевична буря, сблъсквайки се с въздушни молекули, за да създаде повече електрони и гама-лъчи в каскаден ефект.
По време на буря възходящите течения носят водни капчици, градушка и лед в облаците, създавайки електрически заряд. Подобно на триенето на балон върху пуловер, тази смес от частици натрупва електрическа енергия. Резултатът е масивно електрично поле, способно да ускорява частици – като електрони – до невероятни скорости. Когато тези високоенергийни електрони се сблъскат с въздушни молекули, те отприщват гама-лъчи и в някои случаи дори антиматерия.
Въпреки това доскоро гама-лъчите, идващи от гръмотевични бури, изглеждаха спорадични, предвид ограниченията на предишната сателитна технология. Сателитите на НАСА, предназначени да наблюдават космически събития като космически гама-лъчи от експлодиращи звезди – трябва да бъдат на точното място в точното време, за да открият гама-лъчение от Земята. А самолетните мисии, които се опитват да летят близо до гръмотевични бури, често се провалят, защото опасността от приближаване твърде много до активна буря ограничава обхвата им.
Преследване на бурята
Изследователският екип е ръководен от Николай Остгаард, професор по космическа физика в университета в Берген, Норвегия. Екипът използвал ER-2 High-Altitude Airborne Science Aircraft на НАСА – модифициран шпионски самолет U2. Летейки на около 20 километра над Земята, което е около 5 км по-високо от повечето гръмотевични бури, самолетът осигурил на екипа идеална гледна точка. Повече от месец ER-2 прелитал над бури в тропиците на юг от Флорида. Той регистрирал гама-радиация по време на 9 от 10 полета. Това, което изглеждало като рядко събитие, се оказа, че се случва при повечето гръмотевични бури.
„ER-2 е идеалната платформа за тези измервания. Той може да лети на изключително големи височини (два пъти по-високи от обикновените самолети) и така може да бъде само на няколко километра над гръмотевичната буря в много по-безопасна среда, но все още много близо до района на източника, за да улови по-слаби TGF“, казва Кумър пред ZME Science.
Нови прозрения над облаците
Невероятно, но екипът ударил джакпота още при първия си полет. ER-2 се натъкнал на светещ облак, който продължил да излъчва гама-лъчи поне 30 минути, предизвиквайки вълнение в контролната зала.
Мартино Марисалди, професор по физика в университета в Берген, описва гама-активността като наподобяваща „кипящ съд“, постоянно кипящ от енергия.
Екипът вярва, че гръмотевичните бури могат да отделят гама-лъчи като пара, излизаща от чайник, което позволява на бурите да освобождават енергия, без да кулминират в масивна мълния. „Това е много, много по-важно, отколкото си мислехме“, добавя Кумър.
Как се образуват кълбовидните мълнии?
Въпреки това, гама-лъчите, произведени от гръмотевични бури на Земята, са фундаментално различни от тези, генерирани от космически събития като черни дупки или експлодиращи звезди по отношение на техния мащаб и интензивност. Космическите гама-лъчи се раждат от катаклизмични процеси, освобождавайки енергия в астрономически мащаб. Тези събития създават едни от най-мощните експлозии във Вселената. Техните гама-лъчи излъчват на огромни разстояния, които могат да бъдат открити на милиарди светлинни години.
Обратно, гама-лъчите, произведени от гръмотевични бури, са по-локализирани и краткотрайни, движени от електрически полета в бурята. Въпреки това Кумър посочва удивителната прилика между двете:
„Нещо толкова обикновено като гръмотевична буря е един от малкото други естествени процеси в познатата Вселена, които генерират изблици на частици с толкова висока енергия. Очевидно в по-малък пространствен мащаб, но това все още е невероятно за мен – експлодиращи звезди и гръмотевични бури създават едни и същи видове високоенергийни частици", казва той.
Мистерията се задълбочава
Въпреки че откритието на честото гама-лъчение е вълнуващо, работата на екипа разкрил и нещо още по-интригуващо. Учените открили два изцяло нови вида гама-лъчи. Тези изблици, по-кратки и по-интензивни от заснетите от сателити, се случили по неочаквани начини, включително преди традиционните светкавици.
Вече било известно, че традиционните земни гама-лъчи (TGF) се появяват заедно с мълнии, но последните наблюдения разкрили гама-лъчи, случващи се в напълно различни сценарии. Тези изблици нямали никаква ясна връзка с мълниите и дори се появявали преди всяка мълния.
Тези новонаблюдавани TGF са твърде слаби, за да бъдат уловени от сателити, поради което не са били забелязани преди. Самолетът ER-2, летящ близо до гръмотевичните бури, успял да открие повече от 100 от тези TGF, много повече от очакваното.
„Множество, а може би и всички тези TGF, които не са свързани с мълния, изглежда, са последвани много внимателно във времето (по-малко от секунда) от традиционен разряд на мълния. Това подсказва, че процесът на TGF може да играе роля в инициирането на мълния, което никога не е било напълно разбрано“, каза Кумър.
Трябва ли да се притесняваме?
Констатациите може да звучат тревожно, но няма нужда да се тревожите за внезапен скок в излагането на радиация. Количеството гама-радиация, генерирано при гръмотевични бури, не е достатъчно, за да навреди на всеки, който лети близо до буря. „Радиацията би била най-малкият ви проблем, ако се окажете там“, казва Кумър. Той посочва, пилотите вече избягват да летят през бурните ядра на гръмотевични бури.
Не могат обаче да бъдат изключени рисковете за оборудване като сателити или военни самолети, които работят на големи височини.
„Наличието на незначителна гама-радиация при и над гръмотевични бури за дълги периоди определено е нещо, което трябва да се има предвид за всяко оборудване, което трябва да работи в тази среда“, добавя Кумър.
Докато учените продължават да ровят в данните, констатациите сочат едно ясно заключение: гръмотевичните бури са много по-сложни, отколкото някога сме си представяли. Всъщност новото изследване може да повдигне повече въпроси, отколкото отговори. Откриването на неизвестни досега видове гама-радиация намеква за по-дълбоки процеси в рамките на бурите.
Експерт: Телефоните привличат електрическите вълни от бурята
„За мен винаги е било удивително, че гръмотевичните бури могат да генерират гама-лъчи с висока енергия, електрони, дори антиматерия под формата на позитрони и дори ядрени процеси под формата на избиване на неутрони от кислородни и азотни атоми. Но те, изглежда, се случваха със скорост, която правеше процесите много интересни, но може би не важни в голямата картина. Но сега видяхме, че този високоенергиен процес е почти вездесъщ при големите гръмотевични бури и играе основна роля в еволюцията на електричните полета на гръмотевичните бури и разреждащите се гръмотевични бури. Тогава черешката отгоре е намек, че процесът може да играе роля в инициирането на мълния и всъщност е нещото, което, поне понякога, създава зрелищната светкавица, която ние (или поне аз) познаваме и обичаме“, заключава Кумър.
Изводите са публикувани в списание Nature.
