Земная гамма -вспышка ( TGF ), также известная как темная молния , представляет собой всплеск гамма-лучей, образующийся в атмосфере Земли. Зарегистрировано, что TGF действуют от 0,2 до 3,5 миллисекунд и имеют энергию до 20 миллионов электронвольт . Предполагается, что TGF вызваны интенсивными электрическими полями , создаваемыми над или внутри грозы . Ученые также обнаружили энергичные позитроны и электроны , образующиеся в результате земных гамма-вспышек. [1] [2]
Земные вспышки гамма-излучения были впервые обнаружены в 1994 году в ходе эксперимента BATSE (эксперимент по всплескам и переходным источникам) на Комптонской гамма-обсерватории , космическом корабле НАСА . [3] Последующее исследование, проведенное в Стэнфордском университете в 1996 году, связало TGF с отдельным ударом молнии , происходящим в течение нескольких миллисекунд после TGF. BATSE обнаружил лишь небольшое количество событий TGF за девять лет (76), поскольку он был создан для изучения гамма-всплесков из космоса, которые длятся гораздо дольше.
В начале 2000-х годов спутник Ramaty High Energy Solar Spectroscope 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 примерно 50 TGF, [5] больше, чем считалось ранее, но все же представляют собой лишь очень небольшую часть от общего количества молний на Земле (в среднем 3–4 миллиона молний в день). ). Несколько лет спустя ученые, использующие космический гамма-телескоп НАСА «Ферми» , который был разработан для мониторинга гамма-лучей, подсчитали, что ежедневно во всем мире происходит около 500 TGF, но большинство из них остается незамеченными. [6]
Хотя детали механизма неясны, существует консенсус относительно физических требований. Предполагается, что фотоны TGF испускаются электронами, движущимися со скоростями, очень близкими к скорости света, которые сталкиваются с ядрами атомов воздуха и выделяют свою энергию в виде гамма-лучей ( тормозное излучение [7] ). Большие популяции энергичных электронов могут образовываться в результате лавинного роста, вызванного электрическими полями , — явления, называемого релятивистской лавиной убегающих электронов (RREA). [8] [9] Электрическое поле, вероятно, создается молнией, поскольку было показано, что большинство TGF возникают в течение нескольких миллисекунд после удара молнии (Инан и др., 1996). [10] [11] [12] Помимо этой базовой картины, детали неясны. Недавние исследования показали, что электронно-электронное ( тормозное излучение ) [13] приводит сначала к обогащению электронов высокой энергии, а затем к увеличению числа фотонов высокой энергии.
Некоторые из стандартных теоретических основ были заимствованы из других разрядов, связанных с молниями, таких как спрайты, голубые джеты и эльфы , которые были обнаружены в годы, непосредственно предшествовавшие первым наблюдениям TGF. Например, это поле может возникать из-за разделения зарядов в грозовом облаке («поле постоянного тока»), часто связанного со спрайтами, или из-за электромагнитного импульса (ЭМИ), создаваемого разрядом молнии, часто связанного с эльфами. Есть также некоторые свидетельства того, что определенные TGF возникают в отсутствие ударов молний, хотя и вблизи общей грозовой активности, что вызывает сравнения с голубыми джетами.
Модель поля постоянного тока требует очень большого заряда грозовых облаков для создания достаточных полей на больших высотах (например, 50–90 км, где формируются спрайты). В отличие от спрайтов, эти большие заряды, похоже, не связаны с молнией, генерирующей TGF. [10] Таким образом, модель поля постоянного тока требует, чтобы TGF возникал 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 предсказанию релятивистского убегания на высотах 15–20 км. [14] Во-вторых, TGF сильно сконцентрированы вокруг экватора Земли по сравнению с молниями. [15] (Они также могут быть сконцентрированы над водой по сравнению с молниями в целом.) Вершины грозовых облаков расположены выше вблизи экватора , и, таким образом, гамма-лучи от TGF, образующихся там, имеют больше шансов покинуть атмосферу. Тогда это может означать, что существует множество TGF на более низких высотах, невидимых из космоса, особенно в более высоких широтах.
Альтернативная гипотеза, модель ЭМИ, [16] ослабляет требования к заряду грозовых облаков, но вместо этого требует большого импульса тока, движущегося с очень высокой скоростью. Требуемая скорость импульса тока очень ограничена, и для этой модели пока нет прямого наблюдательного подтверждения.
Другой гипотетический механизм заключается в том, что TGF производятся внутри самого грозового облака либо в сильных электрических полях вблизи канала молнии, либо в статических полях, существующих в больших объемах облака. Эти механизмы полагаются на чрезвычайную активность канала молнии для запуска процесса (Карлсон и др., 2010) или на сильную обратную связь, позволяющую даже небольшим случайным событиям запустить производство. [17] Монитор атмосферно-космических взаимодействий (ASIM), посвященный одновременному измерению оптических сигналов молний и сигналов земных гамма-вспышек, показал, что TGF обычно связаны с оптическими вспышками, что убедительно свидетельствует о том, что релятивистские электроны как предшественники TGF являются производятся в сильных электрических полях вблизи каналов молний. [18] [19]
Было высказано предположение, что TGF также должны запускать пучки высокорелятивистских электронов и позитронов, которые покидают атмосферу, распространяются вдоль магнитного поля Земли и выпадают в противоположном полушарии. [20] [21] Несколько случаев TGF на RHESSI, BATSE и Fermi-GBM показали необычные закономерности, которые можно объяснить такими электронно-позитронными пучками, но такие события очень необычны.
Расчеты показали, что TGF могут освобождать не только позитроны, но также нейтроны и протоны. [22] [23] Нейтроны уже измерялись в электрических разрядах, [24] тогда как экспериментального подтверждения существования протонов, связанных с разрядом, нет (2016). Недавние исследования показали, что флюенс этих нейтронов находится в пределах от 10 -9 до 10 -13 на мс и на м 2 в зависимости от высоты обнаружения. Энергия большинства этих нейтронов даже при начальной энергии 20 МэВ снижается до кэВ-диапазона за 1 мс. [23]
Вспышки земного гамма-излучения бросают вызов современным теориям молний, особенно после открытия явных признаков антивещества, образующегося в молниях. [25]
За последние 15 лет было обнаружено, что среди молниевых процессов есть некий механизм, способный генерировать гамма-лучи , которые выходят за пределы атмосферы и наблюдаются орбитальными космическими аппаратами. Выявленные Джеральдом Фишманом из НАСА в 1994 году в статье в журнале Science [3] , эти так называемые земные гамма-всплески (TGF) наблюдались случайно, когда он документировал случаи внеземных гамма-всплесков, наблюдаемых с помощью космических аппаратов. Комптонская гамма-обсерватория (CGRO). Однако TGF гораздо короче по продолжительности и составляют 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 зафиксировала всего около 77 событий за 10 лет; однако совсем недавно космический аппарат Reuven Ramaty High Energy Solar Spectroscope Imager (RHESSI), как сообщил Дэвид Смит из Калифорнийского университета в Санта-Крус , наблюдал TGF с гораздо более высокой частотой, указывая на то, что они происходят примерно 50 раз в день во всем мире (все еще очень малая доля всех молний на планете). Зарегистрированные уровни энергии превышают 20 МэВ.
Ученые из Университета Дьюка также изучают связь между определенными явлениями молний и загадочными выбросами гамма-лучей, исходящими из собственной атмосферы Земли, в свете новых наблюдений TGF, сделанных RHESSI. Их исследование предполагает, что это гамма-излучение поднимается вверх от исходных точек на удивительно малых высотах в грозовых облаках.
Стивен Каммер из инженерной школы Пратта при Университете Дьюка сказал: «Это гамма-лучи с более высокой энергией, чем те, что исходят от Солнца. И все же здесь они исходят от земной грозы, которую мы видим здесь все время». [27]
Ранние гипотезы об этом указывали на то, что молния генерирует сильные электрические поля и запускает лавину релятивистских убегающих электронов на высотах значительно выше облаков, где тонкая атмосфера позволяет гамма-лучам легко уходить в космос, подобно тому, как генерируются спрайты . Однако последующие данные показали, что вместо этого TGF могут создаваться путем движения релятивистских электронных лавин внутри или чуть выше высоких грозовых облаков. Хотя этим теориям препятствует поглощение выходящих гамма-лучей атмосферой, они не требуют исключительно сильных молний, на которые опираются высотные теории генерации TGF.
Роль TGF и их связь с молнией остается предметом продолжающихся научных исследований.
В 2009 году космический гамма-телескоп Ферми на околоземной орбите наблюдал интенсивный всплеск гамма-лучей, соответствующий аннигиляции позитронов, выходящих из грозового образования. Ученые не удивились бы, увидев несколько позитронов, сопровождающих любой интенсивный гамма-всплеск, но вспышка молнии, обнаруженная Ферми, по-видимому, произвела около 100 триллионов позитронов. Об этом сообщили средства массовой информации в январе 2011 года, и ранее такого явления не наблюдалось. [28] [29]
Монитор атмосферно-космических взаимодействий (ASIM), эксперимент, посвященный изучению TGF, был запущен на Международную космическую станцию 2 апреля 2018 года и установлен на внешнем комплексе полезной нагрузки «Колумбус» 13 апреля 2018 года. [30]
