Как исследуются потоки высокоэнергичных частиц в атмосфере?
Кажется, что о таком опасном природном явлении, как молния, мы знаем все. Еще в школе на уроках физики нам объясняют, почему она светится и в какой предмет вероятнее всего ударит, а на уроках ОБЖ рассказывают, как от нее защититься. Однако о том, как происходит инициация молнии и какие процессы на это влияют, еще не до конца известно. Исследованием этого природного явления занимаются и ученые Института прикладной физики РАН. Мы поговорили с Екатериной Свечниковой, сотрудником лаборатории нелинейной физики природных процессов ИПФ РАН о том, почему необходимо изучать потоки высокоэнергичных частиц в атмосфере и как это явление связано с молниями.
Что ты изучаешь?
Я исследую высокоэнергичные явления, возникающие в электрифицированных, то есть в заряженных облаках, в которых часто образуются молнии. Под такими облаками наблюдается поток быстрых электронов, гамма-лучей и таких частиц, как нейтроны и мюоны. В принципе, все они могут «прилетать» и в ясную погоду, поскольку часть космических лучей проходит сквозь атмосферу и достигает поверхности земли. Между тем, в облаке могут постепенно накапливаться заряды, создавая сильное электрическое поле. Попав туда, частицы из космоса ускоряются, набирают энергию, и, сталкиваясь с частицами воздуха, создают новые энергичные частицы. Поэтому под облаками поток высокоэнергичных частиц бывает гораздо больше, чем без облаков.
Потоки частиц могут наблюдаться как под, так и над облаками. В основном я сосредотачиваюсь на первых, хотя некоторая часть исследования посвящена процессам, наблюдаемым со спутника. Кроме того, высокоэнергичные процессы в самых общих чертах описываются той же самой физикой, что и инициация молнии, поэтому мое исследования связано и с изучением молниевой активности.
Как было открыто это явление?
Совершенно случайно. Это заметили астрономы, использовавшие спутники для наблюдения гамма-лучей, приходящих от космических объектов (в частности, от активных ядер галактик и остатков сверхновых). Однажды исследователи заметили, что гамма-излучение регистрируется приборами спутника, когда те обращены к Земле. Это было очень неожиданно, потребовалась долгая и тщательная обработка, чтобы убедиться в правильности трактовки результатов наблюдений. В итоге, открытие гамма-излучения облаков земной атмосферы было опубликовано в 1994 году в журнале Science. Явление получило название terrestrial gamma ray flash, в переводе на русский – «гамма-вспышка земного происхождения». Это как раз та часть гамма-излучения облаков, которая наблюдается со спутников. Потоки энергичных частиц, превышающие фоновое значение, наблюдаемые с поверхности Земли, носят более громоздкое имя: увеличение потока энергичных частиц под облаком.
Чем высокоэнергичные потоки отличаются от молнии?
Молния и поток высокоэнергичных частиц проявляют себя совершенно по-разному. Молния сопровождается оптическим излучением, так как появляется нагретый канал: его видно, поскольку он светится, и слышно, потому что гремит. А потоки частиц, как правило, не сопровождаются никаким оптическим излучением, и увидеть их невооруженным глазом нельзя. Поэтому для их наблюдения используются различные детекторы.
Как проходит процесс исследования?
Один из основных методов – численное моделирование. Мы работаем с данными измерений, которые проводят наши коллеги, и создаём модели для описания и объяснения наблюдаемого. Данные, кстати, находятся в открытом доступе.
В основном измерения потоков частиц проводятся с помощью наземных детекторов. Например, мы долго и плодотворно сотрудничаем с коллективом Исследовательской Станции Арагац (Армения), на которой было открыто явление потоков под облаками. Конечно, было бы очень любопытно произвести измерения внутри облака, но это технически сложно. Необходимо позаботиться не только о конструкции зонда, но и о том, чтобы он не исказил те процессы, которые мы измеряем. Кроме того, надо еще обеспечить, чтобы в выбранном облаке в момент зондирования происходили события, которые мы исследуем, а они пока плохо предсказуемы.
Почему так важно изучать высокоэнергичные потоки?
У этого вопроса есть огромная фундаментальная ценность: не разобравшись до конца в процессах происхождения этого явления, мы не можем точно определить, почему возникает молния. Это, по крайней мере, любопытно само по себе. Прикладной аспект исследования тоже важен, поскольку поток энергичных частиц не безобиден. Гамма-излучение жестче чем рентген, а значит, оказывает более разрушающее воздействие на аппаратуру и на людей. Потоки такого излучения удается наблюдать в основном в высокогорных условиях, где облака находятся очень низко над землей. Кроме того, результаты исследования помогут оценить воздействие на экипаж и пассажиров самолёта, попавшего в облако, создающее гамма-излучение – маловероятное событие, не исследованное ещё в деталях.
Поэтому важно определить, в каких именно условиях, сколько и чего «прилетает», чтобы знать, какой ущерб, когда и как надо предотвратить. Может быть, в будущем появится еще один параметр метеорологического прогноза, и мы будем знать не только температуру воздуха, давление, влажность, концентрацию пыльцы растений в воздухе, но и какое количество заряженных частиц прилетит из ближайшего облака.
Почему ты выбрала именно эту сферу исследований?
Мне интересна геофизика, потому что каждый день я вижу землю и небо, наблюдаю изменения погоды. А молния – особо воодушевляющее зрелище. Меня восхищает красота физики атмосферы, а это ещё и сочетание разных и любопытных по отдельности областей знаний: здесь есть и электричество, и метеорология, и численные методы. На мой взгляд, на стыке направлений всегда происходит все самое интересное.