Земная вспышка гамма-излучения ( TGF ), также известная как темная молния , представляет собой всплеск гамма-излучения , производимый в атмосфере Земли. Было зарегистрировано, что TGF длятся от 0,2 до 3,5 миллисекунд и имеют энергию до 20 миллионов электронвольт . Предполагается, что TGF вызываются интенсивными электрическими полями, создаваемыми над или внутри гроз . Ученые также обнаружили энергичные позитроны и электроны, производимые земными вспышками гамма-излучения. [1] [2]
Земные гамма-вспышки были впервые обнаружены в 1994 году BATSE , или Burst and Transient Source Experiment, на Compton Gamma Ray Observatory , космическом аппарате NASA . [3] Последующее исследование Стэнфордского университета в 1996 году связало TGF с отдельным ударом молнии , произошедшим в течение нескольких миллисекунд после TGF. BATSE обнаружил лишь небольшое количество событий TGF за девять лет (76), поскольку он был построен для изучения гамма-всплесков из внешнего космоса, которые длятся гораздо дольше.
В начале 2000-х годов спутник Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager ( RHESSI ) наблюдал TGF с гораздо более высокими энергиями, чем те, которые были зарегистрированы BATSE. [4] Данные RHESSI позволили ученым подсчитать, что каждый день происходит около 50 TGF, [5] больше, чем считалось ранее, но все еще представляющих собой лишь очень малую часть от общего числа молний на Земле (в среднем 3–4 миллиона молний в день). Несколько лет спустя ученые, использующие космический гамма-телескоп Fermi NASA , который был разработан для мониторинга гамма-лучей, подсчитали, что ежедневно во всем мире происходит около 500 TGF, но большинство из них остаются незамеченными. [6]
Хотя детали механизма неясны, формируется консенсус относительно физических требований. Предполагается, что фотоны TGF испускаются электронами, движущимися со скоростями, очень близкими к скорости света, которые сталкиваются с ядрами атомов в воздухе и высвобождают свою энергию в форме гамма-лучей ( тормозное излучение [7] ). Большие популяции энергичных электронов могут образовываться в результате лавинного роста, вызванного электрическими полями , явление, называемое лавиной релятивистских убегающих электронов (RREA). [8] [9] Электрическое поле, вероятно, создается молнией, поскольку было показано, что большинство TGF происходят в течение нескольких миллисекунд после удара молнии (Inan et al. 1996). [10] [11] [12] За пределами этой базовой картины детали неясны. Недавние исследования показали, что электрон-электронное ( тормозное излучение ) [13] сначала приводит к обогащению высокоэнергетических электронов, а затем увеличивает количество высокоэнергетических фотонов.
Некоторые из стандартных теоретических рамок были заимствованы из других связанных с молниями разрядов, таких как спрайты, синие струи и эльфы , которые были обнаружены в годы, непосредственно предшествовавшие первым наблюдениям TGF. Например, это поле может быть вызвано разделением зарядов в грозовом облаке (поле «DC»), часто ассоциируемое со спрайтами, или электромагнитным импульсом (ЭМИ), создаваемым разрядом молнии, часто ассоциируемым с эльфами. Также есть некоторые свидетельства того, что определенные TGF происходят в отсутствие ударов молнии, хотя и в непосредственной близости от общей активности молний, что вызвало сравнения с синими струями.
Модель поля постоянного тока требует очень большого заряда грозового облака для создания достаточных полей на больших высотах (например, 50–90 км, где образуются спрайты). В отличие от случая со спрайтами, эти большие заряды, по-видимому, не связаны с молнией, генерирующей TGF. [10] Таким образом, модель поля постоянного тока требует, чтобы TGF возникало ниже, в верхней части грозового облака (10–20 км), где локальное поле может быть сильнее. Эта гипотеза подтверждается двумя независимыми наблюдениями. Во-первых, спектр гамма-лучей, наблюдаемых RHESSI, очень хорошо соответствует прогнозу релятивистского убегания на высоте 15–20 км. [14] Во-вторых, TGF сильно сконцентрированы вокруг экватора Земли по сравнению с молниями. [15] (Они также могут концентрироваться над водой по сравнению с молниями в целом.) Вершины грозовых облаков находятся выше вблизи экватора , и, таким образом, гамма-лучи от TGF, образующихся там, имеют больше шансов покинуть атмосферу. Из этого следует, что существует множество низковысотных TGF, которые не видны из космоса, особенно на высоких широтах.
Альтернативная гипотеза, модель ЭМП [16], смягчает требование к заряду грозового облака, но вместо этого требует большой импульс тока, движущийся с очень высокой скоростью. Требуемая скорость импульса тока очень ограничена, и пока нет прямой наблюдательной поддержки этой модели.
Другой гипотетический механизм заключается в том, что TGFs производятся внутри самого грозового облака, либо в сильных электрических полях вблизи канала молнии, либо в статических полях, которые существуют в больших объемах облака. Эти механизмы полагаются на экстремальную активность канала молнии, чтобы запустить процесс (Carlson et al. 2010), или на сильную обратную связь, чтобы позволить даже мелкомасштабным случайным событиям запустить производство. [17] Монитор взаимодействия атмосферы и космоса (ASIM), предназначенный для одновременного измерения оптических сигналов молнии и сигналов земных вспышек гамма-излучения, показал, что TGFs обычно связаны с оптическими вспышками, что убедительно свидетельствует о том, что релятивистские электроны как предшественники TGFs производятся в сильных электрических полях вблизи каналов молнии. [18] [19]
Было высказано предположение, что TGF также должны запускать пучки высокорелятивистских электронов и позитронов, которые покидают атмосферу, распространяются вдоль магнитного поля Земли и осаждаются на противоположном полушарии. [20] [21] Несколько случаев TGF на RHESSI, BATSE и Fermi-GBM показали необычные закономерности, которые можно объяснить такими пучками электронов/позитронов, но такие события весьма необычны.
Расчеты показали, что TGF могут высвобождать не только позитроны, но также нейтроны и протоны. [22] [23] Нейтроны уже были измерены в электрических разрядах, [24] тогда как нет экспериментального подтверждения протонов, связанных с разрядом (2016). Недавние исследования показали, что флюенс этих нейтронов лежит между 10−9 и 10−13 на мс и на м2 в зависимости от высоты обнаружения. Энергия большинства этих нейтронов, даже при начальных энергиях 20 МэВ, уменьшается до диапазона кэВ в течение 1 мс. [23]
Земные вспышки гамма-излучения бросают вызов современным теориям молний, особенно с открытием явных признаков антиматерии, образующейся в молниях. [25]
За последние 15 лет было обнаружено, что среди процессов молнии есть некий механизм, способный генерировать гамма-лучи , которые покидают атмосферу и наблюдаются с орбитальных космических аппаратов. Выведенные на свет Джеральдом Фишманом из НАСА в 1994 году в статье в Science [3] , эти так называемые земные гамма-вспышки (TGF) были обнаружены случайно, когда он документировал случаи внеземных гамма-всплесков, наблюдаемых гамма-обсерваторией Комптона (CGRO). Однако TGF намного короче по продолжительности, длятся всего около 1 мс.
Профессор Умран Инан из Стэнфордского университета связал TGF с отдельным ударом молнии, произошедшим в течение 1,5 мс после события TGF, [26] впервые доказав, что TGF имеет атмосферное происхождение и связан с ударами молнии.
CGRO зарегистрировал всего около 77 событий за 10 лет; однако, совсем недавно космический аппарат Reuven Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager (RHESSI), как сообщил Дэвид Смит из Калифорнийского университета в Санта-Крус , наблюдал TGF с гораздо большей частотой, указывая на то, что они происходят примерно 50 раз в день по всему миру (все еще очень малая доля от общего числа молний на планете). Зарегистрированные уровни энергии превышают 20 МэВ.
Ученые из Университета Дьюка также изучают связь между определенными молниями и загадочными гамма-излучениями, которые исходят из собственной атмосферы Земли, в свете новых наблюдений TGF, сделанных RHESSI. Их исследование предполагает, что это гамма-излучение фонтанирует вверх из начальных точек на удивительно низких высотах в грозовых облаках.
Стивен Каммер из инженерной школы Пратта Университета Дьюка сказал: «Это гамма-лучи с более высокой энергией, чем те, которые исходят от Солнца. И все же они исходят от земной грозы, которую мы видим здесь постоянно». [27]
Ранние гипотезы этого указывали на то, что молния генерирует сильные электрические поля и управляет релятивистской лавиной убегающих электронов на высотах значительно выше облаков, где тонкая атмосфера позволяет гамма-лучам легко выходить в космос, подобно тому, как генерируются спрайты . Однако последующие доказательства предположили, что вместо этого TGF могут быть созданы путем управления релятивистскими электронными лавинами внутри или чуть выше высоких грозовых облаков. Хотя этим теориям препятствует поглощение атмосферой выходящих гамма-лучей, эти теории не требуют исключительно интенсивных молний, на которые опираются теории генерации TGF на больших высотах.
Роль TGF и их связь с молниями остаются предметом продолжающихся научных исследований.
В 2009 году космический гамма-телескоп Fermi на околоземной орбите наблюдал интенсивный всплеск гамма-лучей, соответствующий аннигиляции позитронов, выходящей из штормовой формации. Ученые не удивились бы, увидев несколько позитронов, сопровождающих любой интенсивный всплеск гамма-лучей, но вспышка молнии, обнаруженная Fermi, по-видимому, произвела около 100 триллионов позитронов. Об этом сообщили новостные СМИ в январе 2011 года, и это никогда ранее не наблюдалось. [28] [29]
Монитор атмосферно-космических взаимодействий (ASIM), эксперимент, посвященный изучению TGF, был запущен на Международную космическую станцию 2 апреля 2018 года и был установлен на внешнем полезном грузе Columbus 13 апреля 2018 года. [30]
