Молнии оказались похожи на синхротроны

Российский физик Николай Петров предложил модель, которая описывает генерацию молниями рентгеновского и гамма-излучения с помощью синхротронного механизма. Сравнивая результаты расчетов с данными о наблюдении гроз и разрядов в лаборатории, он показал, что его модель имеет преимущества при описании пространственных и энергетических свойств гамма-вспышек по сравнению с моделями на основе усиленных релятивистских электронных лавин. Исследование опубликовано в Scientific Reports.

Молнии — самый распространенный источник мощных электромагнитных полей естественного происхождения. Для них характерен очень широкий спектр излучения, покрывающий диапазон от крайне низких частот до ультрафиолета. Однако со временем выяснилось, что молнии, кроме всего прочего, испускают короткие вспышки рентгеновского и гамма-излучения. Гамма-вспышки земного происхождения стали массово фиксировать сравнительно недавно, после того как на МКС установили новый гамма-детектор.

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.

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.

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. Подробнее про молнии вы можете прочитать в наших материалах «180 разрядов в минуту» и «Спрайты, эльфы и синие струи».

Марат Хамадеев