Ранее я затрагивал на Хабре тему ядерных реакций с участием азота, происходящих в атмосфере под действием электрических разрядов. Статья «Азот и молнии» от 30 августа 2021 года собрала впечатляющие 24,9% дочтений при всего 2,8% доскроллов. Сегодня я возвращаюсь к этой теме и хочу рассказать о том, что наряду с обычными молниями в земной атмосфере также возникают сильнейшие «тёмные молнии», называемые в научной литературе «TGF» («terrestial gamma flashes») – буквально «наземные гамма-всплески», которые всё-таки правильнее называть «гамма-всплесками земного происхождения». Поразительность этих явлений не только в их радиоактивности, но и в том, что они являются естественными генераторами антивещества.

Тёмные молнии — это всплески гамма-излучения, происходящие во время сильных гроз при бомбардировке молекул воздуха чрезвычайно быстрыми электронами. Этот феномен был открыт ещё в 1994 году, но на тот момент исследователи полагали, что такие вспышки спровоцированы космическими лучами. Интерес к данному феномену во многом возник в ходе тщательной работы по выявлению необъявленных ядерных испытаний, ни одно из которых, впрочем, подтверждено не было. Так, ещё в 1979 году американский спутник Vela 6911 зафиксировал в небе над островами Принца Эдуарда к юго-востоку от ЮАР характерную двойную вспышку, напоминающую след атмосферного ядерного испытания. Событие получило название «Инцидент Vela», и ни одна страна пока не взяла на себя ответственность за него. Согласно альтернативной версии, взрыв мог быть вызван попаданием метеорита в спутник.

Факт образования позитронов в атмосфере в результате облучения молекул газов высокоэнергетическими пучками космического происхождения также давно известен. В результате изучения именно таких реакций, описанных в 1930 году Полем Дираком, в 1932 году Карл Андерсон открыл в космических лучах позитрон — антиэлектрон, первую известную античастицу. На Хабре ранняя история изучения антивещества отлично описана в статье уважаемого @Bars21 «Вещество и антивещество: что это такое, в чем разница и при чем тут нейтрино».   

Всплеск гамма-излучения происходит непосредственно перед разрядом обычной (видимой) молнии и считается одним из самых высокоэнергетических естественных событий, происходящих на Земле.

В сутки происходит около тысячи TGF, которые приходятся в основном на крупные тропические и субтропические грозы. Такую вспышку очень сложно отследить с поверхности Земли, так как она длится до 2-3 миллисекунд; тем не менее, при тёмной молнии высвобождается до 20 миллионов электронвольт энергии.

Такие события были впервые зафиксированы в 1994 году американской орбитальной обсерваторией «Комптон», предназначенной именно для исследования гамма-излучения. Детекторы гамма-излучения работали в составе инструмента «BATSE» («Эксперимент для регистрации вспышечных и кратковременных источников»), состоявшего из 8 модулей, установленных в разных углах обсерватории. Каждый модуль представлял собой кристалл NaI(Tl) диаметром 50,48 см и толщиной 1,257 см с рабочим энергетическим диапазоном 20 кэВ — 2 МэВ, и кристалл NaI диаметром 12,7 см толщиной 7,62 см с расширенным энергетическим диапазоном до 8 МэВ.

BATSE обнаружил более 2700 таких гамма-всплесков, что позволило не только определить их основные свойства, но и собрать статистическую информацию по их мощности и длительности. Оказалось, что такие всплески рождаются в высоких облаках, и их разряды направлены вверх — поэтому их и удобнее всего изучать со спутников.

С середины 2000-x предпринимались попытки зафиксировать TGF не только с орбиты, но и в пределах атмосферы. Такие эксперименты очень опасны, поскольку требуют подобраться как можно ближе к источнику молний в толще грозового облака. Тем не менее, среди них был ряд удачных опытов, о которых я расскажу ниже.

Физическое сходство обычных и тёмных молний

Всем известная электрическая молния возникает в атмосфере при контакте двух крупных воздушных масс с противоположным электрическим зарядом. Крупный электрический разряд возникает между грозовой тучей и высоким наземным объектом, являющимся хорошим проводником, но до этого более мелкие молнии проскакивают между облаками, пока в одном из них не накопится мощный электрический потенциал, который разрядится в землю. Первичным источником энергии для обычной молнии является статическое электричество, накапливающееся при взаимном трении кристаллов льда или капель воды в грозовом облаке. Постепенно верхняя часть тучи приобретает положительный заряд, а основание — отрицательный.  

В то же время положительно заряженные частицы с земли устремляются вверх, и происходит ещё один разряд, направленный вверх, так называемый «возвратный удар». 

Электрическое поле молнии разгоняет электроны практически до скорости света, и они, сталкиваясь с молекулами воздуха, генерируют тормозное излучение, которое и является «тлеющим» источником позитронов. При контакте электрон и позитрон аннигилируют, и их энергия превращается в гамма-излучение. Этот механизм образования гамма-вспышек в грозовых облаках был известен с конца XX века, поэтому открытие гораздо более мощных и кратковременных TGF стало сюрпризом.

Одно из первых доказательств существования естественных TGF атмосферного происхождения было получено в 2006 году в результате невероятного стечения обстоятельств: 27 октября два спутника практически одновременно прошли каждый на расстоянии около 300 километров от крупной грозы в Венесуэле. На одном из них был установлен детектор оптического излучения, а на другом — детектор гамма-излучения.

На этой карте хорошо заметна сдвоенная гроза, произошедшая над заливом-озером Маракайбо. Это регион с одними из самых сильных и частых гроз на Земле, особенно в устье реки Кататумбо. Именно эти места считаются самым крупным источником тропосферного озона на Земле, типичная ночь там выглядит так:

Спутник TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission) был оснащён оптическим детектором молний, а на спутнике RHESSI (Reuven Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager) стояли детекторы рентгеновского и гамма-излучения. Первый аппарат был космической метеостанцией и предназначался для изучения атмосферных явлений, тогда как второй фиксировал рентгеновские и гамма-всплески космического происхождения. Но в тот момент они оба оказались настолько близко от грозы, что по полученным с ним данных удалось сопоставить молнию со всплеском гамма-излучения, который предшествовал разряду молнии, был направлен в космос и продлился примерно 70 микросекунд.

Специализированные телескопы

Тем самым удалось установить источник TGF — сильные электрические поля на вершинах грозовых облаков. На момент этого открытия NASA уже планировало выводить на орбиту телескоп Fermi, предназначенный для поиска высокоэнергетических гамма-всплесков в космосе. Он был запущен 11 июня 2008 года и работает до сих пор, но планируется, что до конца 2026 года его миссия завершится. Наряду с фундаментальными исследованиями галактических гамма-всплесков и открытием ранее не известных космических объектов, в частности, колоссальных пузырей Ферми, о которых писал на Хабре уважаемый @SLY_G, этот телескоп провёл большую работу по поиску TGF, зафиксировав в атмосфере Земли более 130 таких событий.

Этих данных оказалось достаточно для моделирования атмосферных TGF, направленных из облаков на орбиту, но в 2013 году были открыты и TGF, бьющие в землю и накрывающие большие площади. Они были обнаружены на исследовательском комплексе Telescope Array, расположенном на западе штата Юта близ города Дельта, где развёрнут массив из более чем 500 сенсоров для отслеживания космических лучей. Комплекс находится на высоте около 1400 метров, и в этом районе частицы из космоса фиксируются не реже, чем раз в несколько минут.

Разбирая в 2013 году накопленные данные, физики обнаружили странную сигнатуру, присущую высокоэнергетическим фотонам гамма-излучения. Эти данные были переданы в группу по изучению космических лучей университета Юта, которая смогла уверенно классифицировать явление как нисходящий TGF.

В период с 2014 по 2016 год Telescope Array зарегистрировал 10 таких попаданий на территории комплекса. Команда установила, что нисходящие TGF также образуются в ходе сильных гроз, а на земле такой всплеск накрывает область диаметром от 3 до 5 километров. Дальнейшие исследования показали, что при сильных грозах к земле могут быть направлены не только TGF-подобные гамма-всплески, но и гораздо более длительное гамма-свечение. Такое событие может продолжаться до нескольких минут и, по-видимому, вызывается лавиной грозовых электронов, разогнанных до релятивистских скоростей.

Моделирование

Систематическое моделирование атмосферных TGF стало возможно около 2009 года, когда телескоп Fermi накопил достаточный массив данных. Было установлено, что в ходе таких всплесков образуются не только позитроны, но и нейтроны, и, тогда как позитроны в основном успевают аннигилировать ещё в грозовой туче, нейтроны могут достигать поверхности земли. На 500-километровой высоте, где атмосферы уже нет, и поэтому аннигиляция происходит не так быстро, многочисленные позитроны легко фиксируются спутником.  

Таким образом, для точного моделирования этих процессов нужно учесть разные частицы и широкий диапазон энергий, а также химический состав воздуха. Эту работу провели в 2015 году Кристофер Кён и Ута Эберт из Голландского центра математики и информатики (CWI). Они смоделировали разряд тёмной молнии по методу MC/PIC, где MC – это метод Монте-Карло, а PIC — приближение по методу частиц в ячейках. В данном случае путь электронов по классическим и релятивистским траекториям между молекулами воздуха, а также их столкновение с позитронами и попадание в молекулы воздуха моделируется как последовательность случайных событий. Движение электронов усредняется в соответствии с уравнением Больцмана. Таким образом, удаётся построить систему дифференциальных уравнений для расчёта плотности электронов, потока электронов, энергии электронов и энергии потока электронов. Также в модели применялось уравнение Пуассона, позволяющее проследить развитие этого процесса во времени. Получается такая визуализация, в которой наблюдаем рассеяние всплеска, направление потока электронов и в противоположном направлении — поток позитронов и нейтронов.  

Модель Кёна и Эберт показала, что позитронный всплеск распространяется преимущественно вверх и в стороны, то есть слабо проникает в нижние слои атмосферы, однако поток грозовых нейтронов достаточно силён, чтобы достичь земли, а сильные тропические грозы обладают измеримой радиоактивностью. Вот три кадра из этой модели, на которых розовым цветом обозначены гамма-лучи, жёлтым — электроны, а зелёным — позитроны. Позитроны быстро аннигилируют, и сам гамма-всплеск является результатом такой аннигиляции.

Авиалабораторя ALOFT

Ещё более амбициозный проект предприняли в 2023 году физики-метеорологи Николаи Эстгор (Nikolai Østgaard), ранее известный как один из ведущих исследователей полярных сияний, и Мартино Марисальди из Бергенского университета, а также их соавтор Стивен Каммер, заслуженный профессор инженерных наук из Университета Дьюка в Северной Каролине. Они арендовали принадлежащий NASA самолёт Lockheed U-2, переоборудованный в воздушную обсерваторию. Это знаменитый американский самолёт-шпион времён Холодной Войны, различные модели которого используются с 1956 года. U-2 предназначен для работы на высоте более 20 км. Кроме того, он развивает скорость, достаточную как для преследования грозы, так и для ускользания от неё в случае опасности.

В рамках эксперимента было выполнено 10 полётов в непосредственной близости от грозовых облаков в районе Карибского моря и Центральной Америки. Аппаратный комплекс, установленный на самолёте, называется ALOFT (Воздушная обсерватория для непосредственного изучения и картирования молний и гамма-вспышек околоземного происхождения).

Полёты показали, что TGF в атмосфере гораздо более многочисленны, чем считалось ранее, но в основном они недостаточно яркие, чтобы заметить их со спутника. Оказалось, что в плоскости облака всплески гамма-излучения медленно просачиваются на ширину до 100 километров. Более того, гамма-свечение сопровождалось ранее не известными «мерцающими гамма-вспышками» (FGF), после которых следовали мощные молнии в видимом спектре.

Заключение

Описанные эксперименты открывают практически неисхоженное поле для исследования атмосферных источников антивещества и показывают, что граница между высотными атмосферными и космическими явлениями в очередной раз оказывается зыбкой и проницаемой. Тропическая гроза может представлять реальную опасность как источник жёсткого ионизирующего излучения, особенно для пассажирских самолётов и в регионах, расположенных выше 2000 метров над уровнем моря, где TGF могут достигать Земли. В случае с пассажирскими авиаперелётами опасность не так велика, поскольку и пилоты, и диспетчеры пытаются обходить грозовые фронты, а среднестатистический человек, активно пользующийся авиалиниями в тропиках, всё равно может буквально несколько раз в жизни попасть в такие сложные метеорологические условия. Однако повсеместность описанных событий и разнообразие TGF и схожих с ними явлений, а также в целом понятная и поддающаяся компьютерному моделированию физика этих процессов, возможно, открывают путь к созданию установок для промышленного получения антивещества или даже для сборки первых антивещественных реакторов. В сущности, грозовое облако над Маракайбо является естественным антивещественным реактором. Позже постараюсь подробнее разобрать эту тему на Хабре.