Мюоны помогли измерить перепад потенциалов грозового облака в 1300000000 вольт

Группа GRAPES-3 измерила максимальный перепад потенциалов между верхней и нижней частью грозового облака и получила рекордное высокое значение 1,3 миллиарда вольт, которое, тем не менее, отлично согласуется с теоретическими оценками. Для этого ученые следили за колебания потока мюонов, которые регистрировал телескоп G3MT, и сравнивали их с численной моделью грозового облака. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics.

В 20-х годах прошлого века Чарльз Вильсон (Charles Wilson) обнаружил, что молнии возникают из-за объемного разделения заряда грозовых облаков, создающего сильное электрическое поле. Стандартный механизм, который объясняет подобное разделение, выглядит следующим образом. Поскольку Земля в целом заряжена отрицательно, около ее поверхности возникает постоянное электрическое поле напряженностью около 130 вольт на метр. Это электрическое поле поляризует крупинки града, которые образуются во время грозы, и заставляет их передавать небольшой отрицательный заряд при столкновениях с переохлажденными каплями воды. После этого капли подхватываются восходящими потоками воздуха, а градинки продолжают падать под действием силы тяжести. В результате заряд грозового облака разделяется, словно в плоском конденсаторе. В свою очередь, это создает сильное вертикальное электрическое поле, еще сильнее поляризует градины и ускоряет процесс разделения зарядов. Таким образом, напряженность электрического поля в грозовом облаке быстро растет, пока не достигает порога электрического пробоя воздуха. В этот момент облако пронизывает молния.

Чтобы измерить электрические поля грозы и проверить эту теорию, физики запускают в облака самолеты и метеорологические зонды. Подобные опыты показали, что разность потенциалов между «дном» и «верхушкой» облака превышает десятки миллионов вольт. В частности, в ходе грозы 1990 года в Нью-Мексико ученые получили значение около 130 миллионов вольт, которое в настоящее время является рекордным. Впрочем, даже такие высокие разности потенциалов не дотягивают до теоретической оценки, которая превышает миллиард вольт для облаков толщиной несколько километров. Кроме того, на высокие потенциалы косвенно указывает гамма-излучение гроз: в 2011 году спутник AGILE зарегистрировал гамма-кванты с энергией сто мегаэлектронвольт, которые не могли родиться при разнице потенциалов порядка ста миллионов вольт. Получается, что измерения с помощью метеорологических зондов дают неверные результаты. Поэтому ученые стараются измерить разницу потенциалов в грозовом облаке независимым способом.

Группа GRAPES-3 придумала такой способ: для этого физики предложили использовать мюоны, которые рождаются в атмосферных ливнях космических лучей. В основе этого метода лежит тот факт, что под действием электрического поля грозы мюоны — заряженные частицы — отклоняются, а их наблюдаемый поток изменяется во времени и пространстве. Следовательно, если достаточно точно измерить подобные колебания, с помощью численных расчетов можно восстановить примерную картину электрических полей грозового облака.

Мюонный телескоп G3MT, которым располагает группа GRAPES-3, позволяет провести подобные измерения. Этот прибор установлен в Утакаманде (Индия) на высоте 2200 метров над уровнем моря. Каждую минуту он регистрирует более 2,5 миллионов мюонов, которые прилетают из 169 направлений, расположенных в телесном угле около 2,3 стерадиан. Таким образом, G3MT может измерить средний поток мюонов, прошедших сквозь грозовое облако, с погрешностью около 0,1 процента. Кроме того, погрешность, с которой телескоп измеряет направление движения мюона, не превышает четырех градусов. Наконец, ученые дополнили мюонный телескоп мониторами электрического поля, чтобы более точно отслеживать временны́е изменения электрического поля грозового облака.

Чтобы упростить вычисления, ученые приблизили грозовое облако плоским конденсатором, обкладки которого параллельны поверхности Земли. Конечно, распределение зарядов в настоящем облаке гораздо сложнее, однако такое приближение качественно ухватывает происходящие процессы и позволяет оценить порядок перепада потенциалов в облаке. Всего физики рассмотрели три варианта толщины и положения облаков. В первых двух вариантах верхняя граница облака находилась на высоте десять километров, а его толщина составляла два или восемь километров. В третьем варианте облако простиралось с десяти до двадцати километров в высоту. Стоит отметить, что наиболее реалистичной является первая конфигурация, которая лучше всего приближает параметры реального грозового облака. Для всех трех конфигураций ученые численно рассчитали ожидаемый поток мюонов с помощью метода Монте-Карло (пакет CORSIKA), дополненного моделями взаимодействия частиц высоких энергий (пакеты FLUKA и SYBILL). В первых двух случаях результаты практически не отличались. В третьем случае ученые получили поток примерно на 15 процентов меньше. Поэтому ученые оценивали перепад потенциалов в облаке с помощью первых двух моделей, которые давали более консервативные оценки.

Всего физики собрали данные по 184 грозам, произошедшим в период между 2011 и 2014 годом, и выделили среди них семь наиболее крупных событий. К сожалению, колебания потока мюонов в шести случаях имели сложный временной профиль, который не позволял восстановить перепады потенциалов с помощью простой модели. Однако для последней грозы, которая произошла первого декабря 2014 года и длилась около 18 минут, ученые все-таки смогли провести численные расчеты и получить значения потока, которые совпадали с данными наблюдений. В результате ученым удалось отследить дрейф грозового облака, из-за которого смещался «провал» в потоке мюонов, и оценить пиковый перепад потенциалов в облаке. Согласно этой оценке, перепад превышает 1,3 миллиарда вольт. Это в десять раз превышает значения, полученные с помощью метеозондов.

В 2015 году физики из Лос-Аламоской национальной лаборатории в США придумали, как с помощью космических мюонов можно исследовать внутреннюю структуру зданий и механизмов (точнее, ученые придумали, как увеличить разрешение картинок и скорость их построения). В сущности, предложенный метод не отличается от компьютерной томографии, в которой рентгеновские лучи заменили мюонами. В январе 2016 года археологи «заглянули» с помощью нового метода внутрь Ломаной пирамиды в Египте, а в ноябре 2017 года мюоны нашли «тайную комнату» в пирамиде Хеопса. Подробно о практических применениях мюонов рассказывает материал «Упавшие с неба». А прочитать, как построить детектор в домашних условиях и увидеть мюоны собственными глазами, можно в блоге Владимира Королёва.

Из-за высоких напряжений грозы часто называют «природными ускорителями элементарных частиц». Энергия тормозного излучения электронов, разогнанных в таком «ускорителе», настолько велика, что может запустить фотоядерные реакции. По крайней мере, так предсказывали расчеты теоретиков. Тем не менее, на практике следы фотоядерных реакций, протекающих во время грозы, впервые удалось измерить всего два года назад: во время грозы 6 февраля 2017 года японские физики зарегистрировали послесвечение от аннигиляции электрон-позитронных пар, которое было бы невозможно без редких радиоактивных изотопов.

Дмитрий Трунин