Прежде я уже освещал на страницах SE7ENа тематику ядерных процессов с участием азота, инициируемых мощными электрическими разрядами в воздушных слоях. Публикация «Азот и молнии» от конца августа 2021 года продемонстрировала внушительный показатель дочтений в 24,9% при скромных 2,8% доскроллов. Сегодня я намерен углубиться в этот вопрос и обсудить феномен, существующий параллельно с привычной нам грозовой активностью — так называемые «тёмные молнии». В научной среде они известны как TGF (terrestrial gamma flashes), что переводится как «наземные гамма-вспышки», хотя более точным термином считается «гамма-всплески земного происхождения». Экстраординарная природа этих явлений заключается не только в их радиоактивности, но и в способности выступать в роли естественных фабрик по производству антивещества.
Тёмные молнии представляют собой интенсивные импульсы гамма-излучения, возникающие во время масштабных гроз, когда молекулы атмосферных газов подвергаются бомбардировке электронами, разогнанными до релятивистских скоростей. Данный феномен был идентифицирован еще в 1994 году, однако первоначально ученые приписывали эти вспышки воздействию космического излучения. Значительный импульс исследованиям в этой области придала работа по мониторингу несанкционированных ядерных испытаний, хотя прямых подтверждений подобных взрывов найдено не было. В частности, в 1979 году американский спутник Vela 6911 зарегистрировал над островами Принца Эдуарда характерную двойную световую аномалию, подозрительно напоминающую сигнатуру атмосферного ядерного взрыва. Это событие вошло в историю как «Инцидент Vela», и ни одно государство до сих пор не признало свою причастность к нему. По одной из гипотез, вспышка могла стать следствием столкновения спутника с метеороидом.
Способность атмосферы генерировать позитроны при взаимодействии газовых молекул с высокоэнергетическими потоками космического происхождения известна науке достаточно давно. Именно в ходе анализа подобных реакций, теоретически предсказанных Полем Дираком в 1930 году, Карл Андерсон спустя два года обнаружил в составе космических лучей позитрон — античастицу электрона, ставшую первым открытым представителем антиматерии. На SE7ENе детальная хроника изучения антивещества представлена в материале пользователя @Bars21 «Вещество и антивещество: что это такое, в чем разница и при чем тут нейтрино».
Гамма-излучение высвобождается непосредственно перед основным разрядом видимой молнии и классифицируется как одно из наиболее энергетически насыщенных природных явлений на нашей планете.
В планетарном масштабе ежедневно фиксируется порядка тысячи TGF, локализованных преимущественно в зонах мощных тропических и субтропических грозовых фронтов. Фиксация такой вспышки с поверхности Земли крайне затруднена из-за её кратковременности (от 2 до 3 миллисекунд), при этом энергетический выход тёмной молнии может достигать 20 миллионов электронвольт.
Впервые эти события были задокументированы в 1994 году с помощью американской орбитальной обсерватории «Комптон», спроектированной специально для глубокого изучения гамма-спектра. Регистрацию осуществлял прибор BATSE (Burst and Transient Source Experiment), состоящий из восьми детекторных модулей. В основе каждого модуля лежали кристаллы NaI(Tl) различного диаметра и толщины, перекрывавшие энергетический диапазон от 20 кэВ до 8 МэВ.
BATSE зафиксировал более 2700 подобных импульсов, что позволило ученым систематизировать данные об их физических характеристиках, мощности и длительности. Исследования показали, что всплески зарождаются в верхних ярусах облачности, а их вектор направлен в сторону открытого космоса, что делает спутниковое наблюдение наиболее эффективным методом изучения.
С середины 2000-х годов научные группы пытались обнаружить TGF непосредственно в земной атмосфере. Подобные изыскания сопряжены с колоссальным риском, так как требуют присутствия измерительной аппаратуры в самом эпицентре грозового очага. Тем не менее, ряд экспериментов увенчался успехом.
Физическая природа обычных и тёмных молний
Традиционный электрический разряд в атмосфере возникает при взаимодействии масштабных воздушных масс с противоположными зарядами. Мощному удару между облаком и наземным проводником предшествует серия менее интенсивных межоблачных разрядов, формирующих критический потенциал. Энергетической базой для молнии служит статическое электричество, генерируемое при трении капель воды и ледяных кристаллов, в результате чего вершина облака заряжается положительно, а его подошва — отрицательно.
Параллельно с этим положительно заряженные частицы с земной поверхности стремятся вверх, провоцируя так называемый «возвратный удар».
Экстремальные электрические поля разгоняют электроны до скоростей, сопоставимых со скоростью света. При столкновении этих частиц с молекулами воздуха возникает тормозное излучение, которое служит источником формирования позитронов. Взаимная аннигиляция электрона и позитрона высвобождает энергию в форме гамма-квантов. Данная модель генерации гамма-излучения была описана еще в конце прошлого века, поэтому обнаружение сверхмощных и мгновенных вспышек TGF стало для научного сообщества неожиданностью.
Первые верифицированные данные о существовании атмосферных TGF были получены в 2006 году благодаря редкому совпадению: 27 октября два научно-исследовательских аппарата одновременно находились в радиусе 300 километров от мощного грозового фронта в Венесуэле. Один из них фиксировал оптические сигналы, другой — гамма-излучение.
На спутниковых снимках отчетливо видна двойная гроза над озером Маракайбо. Этот регион, особенно в дельте реки Кататумбо, является мировым рекордсменом по частоте и интенсивности электрических разрядов. Считается, что именно здесь находится крупнейший природный регенератор тропосферного озона. Типичная грозовая ночь в этих краях выглядит завораживающе:
Аппарат TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission) нес на борту оптический сенсор молний, а спутник RHESSI был оснащен спектрометрами для регистрации рентгеновского и гамма-излучения. Хотя второй аппарат предназначался для наблюдения за солнечной активностью, близость к грозе позволила корректно сопоставить видимую молнию и предшествующий ей гамма-всплеск длительностью около 70 микросекунд, направленный в верхние слои атмосферы.
Специализированный инструментарий
Благодаря этому успеху удалось локализовать источник TGF — аномально сильные электрические поля на границе грозовых облаков. В это время NASA уже готовило к запуску космический телескоп Fermi. С момента запуска в 2008 году и до завершения миссии в 2026 году этот инструмент, помимо исследования загадочных пузырей Ферми (о которых упоминал @SLY_G), провел колоссальную работу по картированию земных гамма-всплесков, зафиксировав более 130 таких событий.
Накопленный массив данных позволил смоделировать процессы TGF, уходящие в космос. Однако в 2013 году были обнаружены нисходящие гамма-всплески, достигающие поверхности Земли. Открытие было сделано на базе комплекса «Telescope Array» в штате Юта, где более 500 детекторов на высоте 1400 метров ведут непрерывный мониторинг космических частиц.
Анализируя накопленные за годы сведения, физики выделили уникальный сигнал, характерный для высокоэнергетических гамма-фотонов. Специалисты университета Юты подтвердили: это был нисходящий TGF.
В период с 2014 по 2016 годы Telescope Array зафиксировал десять подобных инцидентов. Установлено, что такие всплески накрывают на земле зону диаметром до 5 километров. Кроме того, выяснилось, что грозы могут генерировать не только короткие вспышки, но и пролонгированное гамма-свечение, длящееся по несколько минут и вызванное лавинным ускорением электронов.
Компьютерное моделирование процессов
Системный анализ TGF стал возможен благодаря статистике телескопа Fermi. Выяснилось, что при вспышках рождаются не только позитроны, но и нейтроны. Если первые чаще всего аннигилируют внутри облака, то вторые способны достигать земной поверхности. На орбитальных же высотах, где атмосфера разрежена, спутники беспрепятственно фиксируют потоки позитронов.
В 2015 году исследователи из Нидерландов Кристофер Кён и Ута Эберт представили детальную модель разряда тёмной молнии. Они применили гибридный метод MC/PIC, сочетающий алгоритмы Монте-Карло и концепцию «частиц в ячейках». Модель описывает стохастический путь электронов между молекулами газа, их столкновения и аннигиляцию. Динамика системы рассчитывается с использованием уравнений Больцмана, Пуассона и дифференциальных методов, что позволяет визуализировать распространение всплеска во времени.
Расчёты подтвердили: позитронный поток направлен преимущественно вверх, в то время как поток нейтронов обладает достаточной проникающей способностью, чтобы дойти до земли. Это означает, что мощные тропические грозы фактически являются источниками радиоактивности. В модели гамма-лучи обозначены розовым, электроны — жёлтым, а позитроны — зелёным цветом.
Миссия ALOFT: взгляд изнутри
В 2023 году стартовал амбициозный проект под руководством Николаи Эстгора, специалиста по полярным сияниям, Мартино Марисальди и Стивена Каммера. Исследователи задействовали самолет Lockheed U-2, трансформированный в высотную лабораторию NASA. Эта легендарная машина способна работать на высоте свыше 20 км и обладает скоростными характеристиками, позволяющими эффективно маневрировать вблизи грозовых фронтов.
В ходе десяти вылетов над акваторией Карибского моря и Центральной Америкой комплекс ALOFT (Airborne Lightning Observatory for FEGS and TGFs) собрал уникальные данные. Выяснилось, что плотность гамма-вспышек в атмосфере на порядки выше, чем предполагалось, но многие из них слишком слабы для регистрации из космоса. Были открыты новые типы явлений — «мерцающие гамма-вспышки» (FGF), выступающие предвестниками классических молний.
Итоги
Эти исследования открывают новую главу в изучении атмосферных источников антиматерии, стирая грань между метеорологией и астрофизикой высоких энергий. Сильные грозы могут представлять реальную радиационную опасность, особенно для высотной авиации и жителей высокогорных районов, где интенсивность TGF наиболее велика. Тем не менее, понимание физики этих процессов и возможность их точного моделирования могут стать фундаментом для технологий будущего — от промышленного синтеза антивещества до создания первых антиматериальных энергетических установок. По сути, грозовой фронт над озером Маракайбо является готовым природным реактором. В дальнейшем я постараюсь развить эту тему более детально.
