Российский физик Николай Петров разработал модель, поясняющую механизм генерации рентгеновского и гамма-излучения молниями. Модель основана на широко известном синхротронном механизме. Сравнение всех результатов вычислений по предложенной модели с данными наблюдений грозовых разрядов как в природных условиях, так и в лабораторных экспериментах, продемонстрировало ее преимущества в описании пространственных и энергетических характеристик гамма-вспышек. Данное преимущество связано с тем, что модель Петрова оказывается более точной по сравнению с моделями, основанными на усиленных релятивистских электронных лавинах. Результаты исследования опубликованы в журнале Scientific Reports. Молнии являются наиболее распространенным источником мощных электромагнитных полей естественного происхождения. Спектр излучения молний чрезвычайно широк и охватывает диапазон от очень низких частот до ультрафиолета.
Mortal Kombat / New Line Cinema, 1995
Впоследствии было установлено, что молнии также генерируют короткие вспышки рентгеновского и гамма-излучения. Массовое обнаружение гамма-вспышек земного происхождения стало возможным сравнительно недавно, после установки нового гамма-детектора на Международной космической станции.
Принято считать, что главным источником таких всплесков становится тормозное излучение от усиленных релятивистских электронных лавин. Существующие модели описывают несколько механизмов размножения быстрых электронов и генерацию высокоэнергетических тормозных фотонов. Однако для излучения с энергией больше 10 мегаэлектронвольт они плохо описывают энергетические и поляризационные свойства наземных гамма-вспышек.
Николай Петров (Nikolai Petrov) из Научно-технологического центра уникального приборостроения РАН предложил другой механизм генерации высокоэнергетических фотонов при прохождении молнии. Он обратил внимание на то, что скорость изменения вектора электрической поляризации в канале может достигать скоростей, близких к скоростям света, что в точках излома молнии должно приводить к синхротронному излучению.
Современное представление о протекании грозового разряда от облака к земле включает в себя понятие лидера молнии — канала в атмосфере с высокой проводимостью (стримера). Воздух внутри него ионизуется, переходя, фактически, в состояние плазмы, что и обеспечивает малое сопротивление. Лидер распространяется в виде ломаной, чьи отрезки называются ступенями. Когда лидер подходит близко к земле, ему навстречу выходит лидер противоположного знака. После их соединения происходит так называемый обратный разряд молнии, для которого характерны бо́льшие, нежели у лидера, интенсивности излучения и токи.
Для ступенчатых процессов характерно возбуждение поверхностных электромагнитных волн, которые связаны с волнами поляризованности в канале. Скорость этих волн может быть настолько велика, что скорости локальных смещений зарядов, в основном электронов, близки к скоростям света, при том, что скорость глобального переноса заряда, отвечающего за непосредственный ток в молнии, существенно ниже. При прямолинейном движении лидера этот процесс не играет существенной роли, однако на стыке ступеней канала, где происходит излом, это, согласно теории, должно приводить к синхротронному излучению.
Движение поверхностной электромагнитной волны (красная стрелка) и волны поляризованности (синие стрелки) вдоль поверхности канала в середине ступени (a) и на их стыке (b). N. I. Petrov / Scientific Reports
Физик начал построение модели с анализа дисперсионных соотношений поверхностных электромагнитных волн. Вычисления показали, что для параметров каналов, соответствующих наблюдаемым в природе и лабораториях молниям и разрядам, распространение волны должно носить ультрарелятивистский характер.
Пользуясь результатами анализа, он рассмотрел генерацию излучения зарядами, движущимися по криволинейной траектории, известного как синхротронное излучение. Для него характерна узкая угловая ширина распространения и высокая степень поляризации. В результате моделирования, Петров вычислил спектр такого излучения, который обладал экспоненциально затухающим «хвостом» в области высоких энергий. Физик перевел спектр в энергетическое распределение фотонов и применил его к данным о земных гамма-вспышках, измеренных спутником AGILE, а также к данным о лабораторных исследованиях разрядов. В обоих случаях теория показала согласие с наблюдениями.
Схема рождения синхротронного излучения в молнии. N. I. Petrov / Scientific Reports
Особенностью построенной модели стало также то, что спектр синхротронного излучения сильно зависит от радиуса и проводимости канала. Это с одной стороны объясняет, почему при обратном разряде наблюдается более жесткое излучение, чем в отдельных ступенях лидера, а с другой — согласуется с тем фактом, что рентгеновское и гамма-излучения часто приходят из той же области молнии, из которой приходят радиоволны. Наконец, угловая локализованность излучения в конусе также наблюдается в опыте. Все эти детали вместе со спектральными закономерностями свидетельствуют о реалистичности предложенной автором модели. Поля и энергии внутри молний настолько сильны, что в них могут происходить ядерные реакции, что недавно увидели японские физики.
Автор: Марат Хамадеев
Источник: https://nplus1.ru/
