Данные с МКС подтверждают: молния невероятна

Гамма-лучи, электромагнитный импульс и огромный ультрафиолетовый ореол — все за секунду.

Молния — это настолько распространенное явление, что люди часто упускают из виду, насколько она мощная (очевидно, если она вас не бьет). Но за последнее десятилетие исследования постепенно показали, насколько сильна молния. Это повседневное явление достаточно мощное, чтобы производить антивещество и преобразовывать атомы, оставляя после себя радиоактивное облако. Понимание того, как все это происходит, однако, является реальной проблемой, учитывая, насколько быстро происходят множественные события с высокой энергией. Теперь исследователи использовали прибор, прикрепленный к Международной космической станции, для отслеживания физических процессов, вызванных ударом молнии. Прибор отслеживает, как энергия распространяется от места удара молнии в ионосферу через электромагнитный импульс.

Молния из космоса

Работа основана на аппаратном обеспечении, которое называется Монитор атмосферно-космических взаимодействий (ASIM), прибор, созданный ЕКА и прикрепленный к его лабораторному модулю на Международной космической станции. Это впечатляющее аппаратное обеспечение, объединяющее два детектора рентгеновского и гамма-излучения, три детектора ультрафиолетового излучения, два оптических измерителя длины волны и две высокоскоростные камеры.

Такие способности были заложена в инструмент, потому что они необходимы для понимания молнии, когда многое происходит очень быстро, когда вспышка молнии формируется и распространяется. Среда, в которой образуется разряд молнии, обычно имеет несколько незакрепленных электронов, и они быстро ускоряются до релятивистских скоростей из-за сильных электрических полей. Когда эти электроны замедляются или вынуждены двигаться по изогнутым путям, они теряют энергию в форме тормозного излучения. Количество теряемой энергии настолько велико, что часть ее излучается в виде фотонов с самой высокой энергией — гамма-лучей.

Это излучение ответственно за пару упомянутых выше последующих эффектов. Если гамма-лучи попадают в ядро ​​атома, они могут превратить некоторые из субатомных частиц атома в радиоактивный изотоп. Кроме того, если фотоны становятся достаточно концентрированными, они могут спонтанно образовывать пары частица / античастица, поэтому антивещество было обнаружено после вспышек молнии.

Хотя все это происходит, часто бывают вспышки света, которые не связаны напрямую с самой молнией. Называемые спрайтами, джетами и эльфами, эти явления хаотичны и плохо изучены, но мы знаем, что они происходят над облаками, где фактически образуется «удар» молнии.

Чтобы собрать воедино, как все это происходит, нам нужно огромное количество изображений на разных длинах волн и с точным временем. Детали, которые мы можем получить с земли, с уровня облаков и из космоса, должны дать представление о том, где происходят конкретные события. Разные явления происходят на разных длинах волн, поэтому нам нужен широкий спектр датчиков. А отслеживание сроков может помочь нам определить, какие события могут вызвать более поздние явления. Находясь на Международной космической станции, ASIM предоставляет такие возможности.

Освещая Индонезию

В опубликованной статье журнала Science, описывается, как ASIM снимал один удар молнии, который произошел в 2018 году у побережья Сулавеси в Индонезии. Оптическая активность провозгласила формирование удара молнии и начала усиливаться примерно за 200 микросекунд, прежде чем гамма-лучи начали регистрироваться в детекторах. Гамма-лучи были в основном в виде кратковременной вспышки длительностью около 40 микросекунд, но был «длинный» хвост излучения, который простирался до 200 микросекунд, поскольку их энергия постепенно уменьшалась.

Ультрафиолетовый свет начал поступать в то же самое время, когда разразился гамма-всплеск. Первоначальный ультрафиолетовый свет создавался ионизированным кислородом при прохождении молнии через атмосферу. Но ультрафиолетовое излучение перешло к тому, что называется «эльфом», что является совершенно другим явлением. В случае эльфов, свет является результатом электромагнитного импульса, производимого самой молнией. Это явление распространяется в ионосферу, редкий слой ионизированных газов, который начинается примерно в 100 км над Землей и простирается примерно до того места, где вращается МКС. Поскольку импульсу требуется время, чтобы достичь ионосферы, существует задержка между молнией и появлением эльфа.

В этом случае эта задержка составляла около 10 миллисекунд, но эльф некоторое время сохранялся. Это потому, что импульс распространяется как раздуваемый воздушный шар, вычерчивая расширяющуюся сферу над Землей. Различные области ионосферы возбуждаются, когда сфера пробивается сквозь них, в результате чего ультрафиолетовое излучение распространяется на площадь до 800 километров.

Все это произошло менее чем за 300 миллисекунд.

Авторы приходят к выводу, что, чтобы сформировался эльф, требуется большой заряд, который быстро уходит в разряд молнии; в противном случае было бы невозможно сформировать электромагнитный импульс без этого (прошлые исследования показали, что эти пулы могут составлять сотни килоампер). Это укрепляет идею о том, что существует связь между гамма-вспышками и эльфами, поскольку для работы обоих требуется значительный заряд.

Это, однако, не означает, что ученым не понадобится больше данных. Выяснение того, могут ли быть исключения из сроков событий, наблюдаемых здесь, и хорошее распределение диапазона возможных значений и времени, должно помочь нам обрести большую уверенность в механизмах, которые были предложены для многих явлений, действующих при ударе молнии.

Поделиться
Share on VK
VK
Share on Facebook
Facebook
Tweet about this on Twitter
Twitter
Pin on Pinterest
Pinterest

Written by 

Подписаться
Уведомить о
guest
0 комментариев
Межтекстовые Отзывы
Посмотреть все комментарии