Портал функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям.

Грозовой реактор

Кандидат физико-математических наук Алексей Понятов

Совсем недавно, несколько лет назад, физики обнаружили, что грозы порождают в атмосфере антиматерию (позитроны) и изотопы некоторых химических элементов. А ранее были обнаружены грозовые нейтроны и гамма-излучение. Но как работает этот природный реактор?

Реакции с участием атмосферного азота, инициируемые грозовым гамма-квантом с энергией больше пороговой (10,5 МэВ). В результате фотоядерной реакции он выбивает из 14N нейтрон, превращая его в нестабильный изотоп 13N, который затем превращается в стабильный изотоп 13С с испусканием нейтрино и позитрона. Последний аннигилирует с электроном, порождая два гамма-кванта. Испущенный нейтрон поглощается другим атомом азота 14N, который при этом может превратиться в изотоп 15N с испусканием гамма-квантов или в изотоп углерода 14С с испусканием протона. Иллюстрация на основе рисунка из статьи: Бабич Л. П. Грозовые нейтроны // УФН, 189, с. 1044—1069 (2019)

На Земле каждый год бушует огромное количество гроз. Если за полярным кругом они бывают реже одного раза в десять лет, то вблизи экватора — более трёхсот раз в году. За год более четырёх миллионов молний бьют в Землю, пополняя её электрический заряд и поддерживая её электрическое поле. Кроме того, возможны и разряды между облаками. Сила тока в канале молнии может достигать нескольких десятков, а то и сотен тысяч ампер, а температура 30 000 K. Это сравнимо с температурой самых горячих звёзд во Вселенной; напомним, что поверхность нашего Солнца нагрета «всего» на 6000 K.

В 1985 году индийские физики сообщили, что обнаружили во время грозы увеличение регистрируемых потоков нейтронов. Они три года собирали данные в Гималаях, в районе с очень сильной грозовой активностью, где в среднем бьёт 30 молний в сутки. С тех пор повышение уровня нейтронов в атмосфере во время гроз регистрировалось в многочисленных наблюдениях на различных широтах как в высокогорных условиях, так и на уровне моря и даже в ближнем космосе. Количество нейтронов во вспышке может достигать 1010. Рекордной стала гроза 9 января 2009 года в городе Сан Хосе дос Кампос (Бразилия) на высоте 610 м над уровнем моря, во время которой было зарегистрировано увеличение количества нейтронов в 1000 раз на протяжении более двух минут.

В России это явление наблюдали на космической станции «Мир» в 1991 году, на детекторе МГУ в Москве в 1998-м, Тянь-Шанской высокогорной научной станции космических лучей ФИАНа в горах Заилийского Алатау в 2010 и 2013 годах, в лаборатории Института космофизических исследований и аэрономии им. Ю. Г. Шафера СО РАН в долине Туймаада вблизи Якутска в 2009—2012-х. Рассказывают, что в СССР его наблюдали ещё в середине 1980-х годов, но никаких выводов тогда из этого сделано не было.

В настоящее время уже общепризнано, что грозы могут порождать потоки нейтронов. Однако механизм этого явления до сих пор окончательно не прояснён. Первоначально физики предположили, что в канале молний происходят ядерные реакции синтеза с образованием нейтронов, например из дейтерия получается гелий. Гипотезу о возможности ядерных реакций в молниях высказал ещё в 1924 году шотландский физик и метеоролог Чарльз Вильсон (изобретатель знаменитой камеры Вильсона для регистрации треков элементарных частиц и нобелевский лауреат по физике 1927 года). Однако физика того времени не могла её ни обосновать, ни проверить. Поэтому гипотеза была забыта на полвека.

О ней вспомнили в 1973 году американские физики, которые предположили, что благодаря упомянутой ядерной реакции молния способна порождать нейтроны. Их интересовал вклад грозовых нейтронов в производство изотопа углерода 14С, который используется в радиоуглеродном методе определения возраста археологических находок. Обычно предполагается, что он образуется в атмосфере при столкновении вторичных нейтронов от космических лучей с ядрами азота. Поскольку датировка зависит от оценки концентрации 14С, то дополнительные «грозовые атомы» могут вносить случайные ошибки.

Другой вариант объяснения появился после того, как в 1991 году космическая Комптоновская гамма-обсерватория (НАСА) случайно обнаружила интенсивные гамма-вспышки от грозовых разрядов. Исследователи, изучавшие на ней космические источники гамма-излучения, сначала посчитали это ошибкой аппаратуры, но, убедившись в реальности явления, назвали его «земными гамма-вспышками» (terrestrial gamma-ray flashes — TGF). Их особенность — малая длительность (от десятков микросекунд до нескольких секунд), сопоставимая с длительностью молний. А в 2012 году был обнаружен и другой тип гамма-излучения от грозовых облаков — так называемое гамма-свечение, которое длится гораздо дольше — от нескольких секунд до нескольких минут (рекорд — 40 минут). Гамма-излучения гроз активно изучают в последнее время различными методами. В частности, это одна из задач российского спутника «Михайло Ломоносов», запущенного в 2016 году.

Грозовое гамма-излучение может быть в 1000 раз сильнее излучения, порождаемого космическими лучами в атмосфере. Поэтому физики предположили, что его испускают электроны, разогнавшиеся до огромных скоростей в сильных электрических полях грозовых облаков. Эти же электроны в соответствии с другой гипотезой всё того же Вильсона приводят и к возникновению молний.

Однако с таким объяснением возникла проблема. Дело в том, что возникновение молнии физики связывали с явлением электрического пробоя. Пробой возникает, если имеющийся в воздухе по какой-либо причине свободный «затравочный» электрон разгоняется до высоких скоростей и, столкнувшись в атмосфере с нейтральным атомом, выбивает из него электроны. Они тоже разгоняются, выбивают ещё больше электронов и всё повторяется. Число электронов лавинообразно нарастает, делая воздух электропроводным и пригодным для прохождения электрического разряда.

Но типичных электрических полей в грозовом облаке недостаточно, чтобы сообщить электронам такую скорость, при которой происходит пробой или возникает гамма-излучение. Их значения в несколько раз меньше необходимых.

Проблему удалось решить доктору физико-математических наук, будущему академику Александру Викторовичу Гуревичу и его коллегам из ФИАНа. По воспоминаниям Гуревича, идея, позволяющая объяснить возникновение пробоя в грозовом облаке, родилась в 1991 году после подробного обсуждения этих вопросов в Национальной лаборатории в Лос-Аламосе (США), где он тогда работал по приглашению. Но потребовалось ещё шесть лет на разработку теории. Помимо сотрудников ФИАНа над ней работали учёные из Сарова, Лос-Аламоса и университета Лос-Анджелеса, которые провели объёмные численные расчёты.

В основе необычного электрического пробоя лежит особенность взаимодействия быстрого электрона с веществом, открытая Эрнестом Резерфордом и теоретически разработанная Хансом Бете. Дело в том, что сила торможения достаточно быстрого электрона падает с ростом его энергии. Чем выше скорость электрона, тем слабее сопротивление его движению, поэтому он ускоряется ещё больше. Такие электроны называют убегающими. Грозовые электрические поля достаточны для того, чтобы электроны, ускоряясь, набрали энергию выше пороговой и превратились в убегающие.

Именно убегающие электроны приобретают энергию, достаточную для порождения каскада вторичных электронов при столкновении с атомами. Среди них большинство составляют медленные электроны, но попадаются и быстрые, которые в свою очередь становятся убегающими. Они порождают новый каскад электронов, в результате чего возникает экспоненциально нарастающая лавина убегающих электронов очень высокой энергии, которые при взаимодействии с воздухом испускают также тормозное гамма-излучение. Одновременно появляется и огромное число медленных электронов, делающих воздух электропроводным, что приводит к электрическому пробою — молнии. Таким образом, свойства этого явления позволяют объяснить загадки гроз. Поскольку главную роль здесь играет размножение убегающих электронов, это явление назвали пробоем на убегающих электронах (ПУЭ).

Но откуда берутся в воздухе затравочные электроны, которые служат спусковым крючком для пробоя? Всё тот же А. В. Гуревич предположил, что их создают высокоэнергичные космические частицы (космические лучи), пронизывающие атмосферу. Сталкиваясь с атомами атмосферных газов, они способны порождать целые ливни вторичных электронов и других частиц, называемых широкими атмосферными ливнями (ШАЛ).

Однако в таком виде механизм ПУЭ не позволяет объяснить длительное излучение. Грубо говоря, лавина быстро промчалась, и всё на этом закончилось. Космические лучи не создают «спусковых» электронов в данном месте непрерывно. Поэтому механизм был доработан включением обратной связи, делающей возможным самоподдерживающуюся лавину электронов. Происходит это благодаря тому, что рентгеновское и гамма-излучение возникшей лавины само создаёт затравочные электроны, которые порождают новую лавину убегающих электронов.

Испущенное убегающими электронами энергичное тормозное гамма-излучение порождает нейтроны в фотоядерных реакциях. Такое название получили ядерные реакции, которые происходят при поглощении гамма-квантов ядрами атомов. Если энергия, сообщённая квантом ядру, превышает энергию связи в нём нуклонов (протонов и нейтронов), то происходит распад ядра с вылетом нуклонов, в основном именно нейтронов.

Большую роль в разработке этой теории сыграл ещё один российский физик — доктор физико-математических наук Леонид Петрович Бабич (РФЯЦ — ВНИИЭФ, г. Саров Нижегородской обл.). Он проанализировал возможные механизмы генерации грозовых нейтронов и показал, что в условиях земных гроз преобладают именно фотоядерные реакции. Меньшую роль играют ядерные реакции, вызываемые непосредственно высокоэнергичными электронами, так называемые реакции электродезинтеграции. В частности, он показал, что вклад гроз в производство изотопа 14С, о котором шла речь выше, может быть сопоставимым в некоторых областях Земли с вкладом космических лучей.

Хотя в настоящее время фотоядерный механизм генерации грозовых нейтронов общепринят, попытки связать их с ядерным синтезом в каналах молнии не прекращаются. Дело в том, что эти реакции, по-видимому, наблюдаются в лабораторных экспериментах по искусственным разрядам в атмосфере, где энергия электронов и, следовательно, квантов их тормозного излучения много ниже порога фотоядерных реакций. В 2013 году исследователи из ФИАНа сумели даже обнаружить нейтроны, созданные искусственной молнией. К слову, убегающие электроны и их рентгеновское излучение в рукотворных молниях были зарегистрированы в нашей стране ещё в конце 1960-х годов.

А связано ли грозовое гамма-излучение исключительно с молниями? Судя по всему, нет. Продолжительность гамма-излучения и увеличения числа нейтронов может значительно превышать длительность молний, достигая десятков минут, в то время как рекордная длительность молнии составляет всего около 8 секунд. Кроме того, часто гамма-излучение предшествует молниям, завершаясь до разряда или одновременно с ним. Наблюдались и никак не связанные с молниями гамма-вспышки. Видимо, процесс ускорения электронов происходит во всём грозовом облаке, а не только в канале молнии. Так что, вопреки ожиданиям некоторых исследователей, грозовые нейтроны не несут информации о параметрах разрядов молнии, однако могут дать информацию о процессах в грозовых облаках.

В 2018 году появилась работа японских физиков, которые наблюдали гамма-излучение, начавшееся более чем за минуту до удара молнии. Они полагают, что оно позволит в лучшем случае за десять минут предсказывать место, где произойдёт гроза. Это может оказаться полезным для обеспечения безопасности людей и электроустановок.

В 2017 году другие физики из Японии сообщили о том, что обнаружили грозовые позитроны — античастицы электронов. Справедливости ради заметим, что увеличение во время грозы количества позитронов в регистрируемых вторичных космических лучах годом ранее наблюдали российские исследователи в Баксанской нейтринной обсерватории. Японцы же досконально проанализировали процесс их появления и открыли важные его детали.

Во время грозы 16 февраля 2017 года сразу после удара молнии они зарегистрировали сильный гамма-всплеск, тщательный анализ которого показал, что он представляет собой последовательность из трёх всплесков разной продолжительности. Первый из них, самый короткий, длительностью менее 1 миллисекунды, был порождён собственно молнией, той самой лавиной убегающих электронов, о которой шла речь выше. Он же в результате фотоядерных реакций выбил нейтроны из атомов атмосферного азота и кислорода (14N, 16O), превратив их в более редкие изотопы 13N и 15O. Наибольшую роль здесь играет азот, как самый распространённый газ земной атмосферы. Второй всплеск породили уже эти нейтроны, когда поглощались атомами азота 14N, превращая их в изотопы 15N. Это свечение продолжалось несколько десятков миллисекунд. А вот третий всплеск, длившийся уже минуту, представлял наибольший интерес. Через несколько минут нестабильные изотопы 13N и 15O превращаются в результате β+-распада в стабильные изотопы углерода и азота (13C и 15N) с испусканием нейтрино и позитрона. Позитрон тут же сталкивается со своим антиподом — электроном, и обе частицы, как и положено антиматерии при столкновении с обычной материей, аннигилируют — взаимно уничтожаются, произведя пару гамма-квантов с энергией 0,511 мегаэлектрон-вольт (МэВ). Именно эти кванты и составляют третий всплеск. Собственно, то, что зарегистрированные в эксперименте гамма-кванты имеют энергию около 0,511 МэВ, и позволило исследователям сделать вывод, что во время грозы образуются позитроны.

Кроме того, регистрация во время грозы гамма-квантов с энергией 0,511 МэВ служит надёжным свидетельством генерации в ней нейтронов фотоядерного происхождения. Позитроны дают также ещё один вариант обратной связи, способный поддерживать генерацию излучения.

Таким образом, выяснилось, что молнии представляют собой естественный, дополнительный к космическим лучам источник изотопов в атмосфере Земли, таких как 13N, 15N, 15O,17O,13С и 14С. Дальнейшие исследования покажут, производят ли грозы другие изотопы (например, водорода, гелия, бериллия). Оказалось, что наблюдения за ядерными реакциями, вызванными грозой, имеют значение для нашего понимания атмосферы Земли и её изотопного состава.

Молнии возникают и на других планетах Солнечной системы. На Венере их обнаружили советские автоматические станции «Венера-11» и «Венера-12» в 1978 году. Через год их обнаружили на Юпитере космические аппараты «Вояджер-1» и «Вояджер-2». Как и следовало ожидать от самой большой планеты, молнии там в десятки раз сильнее, а грозовые облака могут простираться на 1000 км. Космический зонд «Кассини» зафиксировал первые молнии в атмосфере Сатурна в 2009 году. На Марсе зарегистрированы молнии, связанные с пылевыми бурями. Так что есть основания полагать, что на других планетах тоже идут инициируемые грозами ядерные реакции, дающие вклад в изотопный состав их атмосфер.

Несмотря на то что в последние годы интенсивность исследований высокоэнергичных излучений гроз возросла, вопросы остались. И грозы ещё принесут исследователям сюрпризы.

Подробнее по теме:

Горькавый Н. Сказка о трёх богатырях, которые сразились с «электрическим драконом» // Наука и жизнь, № 2, 2017.

Бабич Л. П. Грозовые нейтроны // УФН, 189, 1044—1069 (2019).

Гуревич А. В., Зыбин К. П. Пробой на убегающих электронах и электрические разряды во время грозы // УФН, 171, 1177—1199 (2001).

Другие статьи из рубрики «Грозные силы природы»