Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Для гамма-всплесков космического происхождения см. Гамма-всплеск .
Художественная концепция гамма-вспышки и связанных с ней явлений.
Красные точки показывают некоторые из ~ 500 земных гамма-вспышек, ежедневно обнаруживаемых космическим гамма-телескопом Ферми до 2010 года.

Наземной гамма-вспышки ( TGF ) представляет собой взрыв гамма - лучей , полученных в атмосфере Земли. Было зарегистрировано, что TGF длятся от 0,2 до 3,5 миллисекунд и имеют энергию до 20 миллионов электронвольт . Предполагается, что TGF вызваны интенсивными электрическими полями, возникающими над или внутри грозы . Ученые также обнаружили энергичные позитроны и электроны, возникающие в результате земных вспышек гамма-излучения. [1] [2]

Открытие [ править ]

Наземные гамма-вспышки были впервые обнаружены в 1994 году BATSE или взрыв и Transient Source Experiment, на Compton Gamma-Ray обсерватории , в НАСА космический корабль. [3] Последующее исследование Стэнфордского университета в 1996 году связывало TGF с отдельным ударом молнии, происходящим в течение нескольких миллисекунд после TGF. BATSE обнаружил лишь небольшое количество событий TGF за девять лет (76), так как он был построен для изучения всплесков гамма-излучения из космоса, которые длятся намного дольше.

В начале 2000-х годов спутник Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager ( RHESSI ) наблюдал TGF с гораздо более высокими энергиями, чем зарегистрированные BATSE. [4] Данные RHESSI позволили ученым подсчитать, что около 50 TGF происходит каждый день, [5] больше, чем предполагалось ранее, но все же представляют лишь очень небольшую часть от общего количества молний на Земле (в среднем 3-4 миллиона молний в день ). Несколько лет спустя ученые, использующие космический гамма-телескоп Ферми НАСА , который был разработан для мониторинга гамма-лучей, подсчитали, что ежедневно во всем мире происходит около 500 TGF, но большинство из них остаются незамеченными. [6]

Механизм [ править ]

Гипотетическое образование TGF над грозовым облаком, вызванное распадающимися полями после большого разряда молнии.

Хотя детали механизма неясны, существует консенсус относительно физических требований. Предполагается, что фотоны TGF испускаются электронами, движущимися со скоростью, очень близкой к скорости света, которые сталкиваются с ядрами атомов в воздухе и выделяют свою энергию в виде гамма-лучей ( тормозное излучение [7] ). Большие популяции энергичных электронов могут образовываться в результате роста лавины, вызванного электрическими полями , явления, называемого релятивистской лавиной убегающих электронов (RREA). [8] [9] Электрическое поле, вероятно, создается молнией, поскольку было показано, что большинство TGF возникают в течение нескольких миллисекунд после события молнии (Inan et al. 1996). [10] [11][12] За пределами этой базовой картины детали неясны. Недавние исследования показали, что электрон-электронное ( тормозное излучение ) [13] сначала приводит к обогащению электронами высокой энергии, а затем увеличивает количество фотонов высокой энергии.

Некоторые стандартные теоретические основы были заимствованы из других связанных с молниями разрядов, таких как спрайты, синие струи и эльфы , которые были обнаружены в годы, непосредственно предшествующие первым наблюдениям TGF. Например, это поле может быть связано с разделением зарядов в грозовом облаке (поле «постоянного тока»), часто связанным со спрайтами, или из-за электромагнитного импульса (ЭМИ), производимого разрядом молнии, часто связанного с эльфами. Есть также некоторые свидетельства того, что определенные TGF возникают в отсутствие ударов молнии, хотя и в непосредственной близости от общей грозовой активности, что вызывает сравнение с синими струями.

Гипотетическое образование TGF возле грозового облака, вызванное электромагнитными волнами, излучаемыми большим импульсом тока молнии.

Модель поля постоянного тока требует очень большого заряда грозовой тучи для создания достаточных полей на больших высотах (например, 50–90 км, где образуются спрайты). В отличие от спрайтов, эти большие заряды, похоже, не связаны с молнией, генерирующей TGF. [10] Таким образом, модель постоянного поля требует, чтобы TGF возникла ниже, в верхней части грозового облака (10–20 км), где локальное поле может быть сильнее. Эта гипотеза подтверждается двумя независимыми наблюдениями. Во-первых, спектр гамма-лучей, наблюдаемый RHESSI, очень хорошо согласуется с предсказанием релятивистского убегания на расстоянии 15–20 км. [14] Во-вторых, TGF сильно концентрируются вокруг экватора Земли по сравнению с молнией. [15] (Они также могут быть сконцентрированы над водой по сравнению с молнией в целом.) Вершины грозовых облаков расположены выше у экватора , и, таким образом, гамма-лучи от TGF, производимые там, имеют больше шансов выйти из атмосферы. Тогда это может означать, что существует много низковысотных TGF, невидимых из космоса, особенно на высоких широтах.

Гипотетическое производство TGF в грозовой туче.

Альтернативная гипотеза, модель EMP, [16] ослабляет требования к заряду грозового облака, но вместо этого требует большого импульса тока, движущегося с очень высокой скоростью. Требуемая частота импульсов тока очень ограничена, и пока нет никаких прямых наблюдений для этой модели.

Другой гипотетический механизм заключается в том, что TGF образуются внутри самого грозового облака либо в сильных электрических полях вблизи канала молнии, либо в статических полях, которые существуют в больших объемах облака. Эти механизмы полагаются на экстремальную активность канала молнии для запуска процесса (Карлсон и др. 2010) или на сильную обратную связь, позволяющую даже мелкомасштабным случайным событиям запускать производство. [17] атмосферно-космических взаимодействий Монитор(ASIM), предназначенная для одновременного измерения оптических сигналов молнии и сигналов земных гамма-вспышек, показала, что TGF обычно связаны с оптическими вспышками, что убедительно свидетельствует о том, что релятивистские электроны как предшественники TGF образуются в сильных электрических полях в непосредственной близости каналов молнии. [18] [19]

Сопряженные события [ править ]

Было высказано предположение, что TGF должны также запускать пучки высокорелятивистских электронов и позитронов, которые покидают атмосферу, распространяются вдоль магнитного поля Земли и осаждаются в противоположном полушарии. [20] [21] Несколько случаев TGF на RHESSI, BATSE и Fermi-GBM показали необычные паттерны, которые можно объяснить такими электронно-позитронными пучками, но такие события очень необычны.

Расчеты показали, что TGF могут освобождать не только позитроны, но также нейтроны и протоны. [22] [23] Нейтроны уже были измерены в электрических разрядах [24], тогда как экспериментального подтверждения наличия протонов, связанных с разрядом, нет (2016). Недавние исследования показали, что флюенс этих нейтронов составляет от 10 -9 до 10 -13 на мс и на м 2 в зависимости от высоты обнаружения. Энергия большинства этих нейтронов, даже при начальной энергии 20 МэВ, уменьшается до диапазона кэВ в течение 1 мс. [23]

Другое исследование [ править ]

Земные гамма-вспышки бросают вызов нынешним теориям молнии, особенно с открытием явных сигнатур антивещества, производимого в молниях. [25]

За последние 15 лет было обнаружено, что среди процессов молнии есть некий механизм, способный генерировать гамма-лучи , которые покидают атмосферу и наблюдаются с орбитального космического корабля. Привлечены на свет НАСА «s Джеральда Фишмана в 1994 году в статье , опубликованной в Science , [26] были обнаружены так называемые земные гамма-вспышки (TGF) , случайно, в то время как он документировал случаи внеземных гамма - всплесков , наблюдаемые Гамма-обсерватория Комптона (CGRO). TGF намного короче по продолжительности, однако длятся всего около 1 мс.

Профессор Умран Инан из Стэнфордского университета связал TGF с отдельным ударом молнии, произошедшим в течение 1,5 мс после события TGF [27], впервые доказав, что TGF имеет атмосферное происхождение и связан с ударами молнии.

CGRO зафиксировала всего около 77 событий за 10 лет; однако в последнее время космический аппарат Reuven Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager (RHESSI), как сообщил Дэвид Смит из Калифорнийского университета в Санта-Круз , наблюдал TGF с гораздо большей частотой, что указывает на то, что они происходят примерно 50 раз в день во всем мире (все еще очень малая доля от общего количества молний на планете). Зарегистрированные уровни энергии превышают 20 МэВ.

Ученые из Университета Дьюка также изучали связь между определенными грозовыми событиями и загадочным гамма-излучением, исходящим из атмосферы Земли, в свете последних наблюдений TGF, сделанных RHESSI. Их исследование предполагает, что это гамма-излучение поднимается вверх от начальных точек на удивительно низких высотах в грозовых облаках.

Стивен Каммер из инженерной школы Пратта при университете Дьюка сказал: «Это гамма-лучи с более высокой энергией, чем те, которые исходят от Солнца. И все же здесь они исходят от земной грозы, которую мы видим здесь все время». [28]

Ранние гипотезы указывали на то, что молния генерирует сильные электрические поля и запускает релятивистскую лавину убегающих электронов на высотах значительно выше облака, где тонкая атмосфера позволяет гамма-лучам легко уходить в космос, подобно тому, как генерируются спрайты . Однако последующие данные предположили, что вместо этого TGF могут образовываться путем движения релятивистских электронных лавин внутри или непосредственно над высокими грозовыми облаками. Хотя этим теориям препятствует атмосферное поглощение убегающих гамма-лучей, они не требуют исключительно интенсивной молнии, на которую опираются высокогорные теории генерации TGF.

Роль TGF и их связь с молнией остается предметом постоянных научных исследований.

В 2009 году космический гамма-телескоп Ферми на околоземной орбите наблюдал интенсивную вспышку гамма-излучения, соответствующую аннигиляции позитронов, выходящих из образования бури. Ученые не были бы удивлены, увидев несколько позитронов, сопровождающих любой интенсивный гамма-всплеск, но вспышка молнии, обнаруженная Ферми, по-видимому, произвела около 100 триллионов позитронов. Об этом сообщили СМИ в январе 2011 года, и ранее этого не наблюдалось. [29] [30]

Атмосферно-космических взаимодействий Монитор (МИАА), эксперимент , посвященный изучению TGFs, был запущен на Международной космической станции 2 -го апреля 2018 года и был установлен на Columbus Внешний Payload фонда 13 апреля 2018. [31]

См. Также [ править ]

  • Гамма-всплески
  • Красный спрайт
  • Голубая струя
  • Молния

Ссылки [ править ]

  1. ↑ Палмер, Джейсон (11 января 2011 г.). «Антивещество, вытекшее из гроз на Земле» . BBC News . Проверено 17 января +2016 .
  2. ^ Перротто, Трент; Андерсон, Джанет (10 января 2011 г.). «Ферми НАСА ловит грозы, уносящие антиматерию в космос» (пресс-релиз). НАСА . Проверено 17 января +2016 .
  3. ^ Фишман, GJ; Бхат, ПН; Mallozzi, R .; Horack, JM; Кошут, Т .; Kouveliotou, C .; Пендлтон, GN; Миган, Калифорния; Уилсон, РБ; Paciesas, WS; Гудман, SJ; Кристиан, HJ (27 мая 1994 г.). «Открытие интенсивных гамма-вспышек атмосферного происхождения» (PDF) . Наука . 264 (5163): 1313–1316. Bibcode : 1994STIN ... 9611316F . DOI : 10.1126 / science.264.5163.1313 . ЛВП : 2060/19960001309 . PMID 17780850 . S2CID 20848006 .   
  4. ^ Смит, DM; Lopez, LI; Линь РП; Баррингтон-Ли, CP (2005). "Земные гамма-вспышки, наблюдаемые до 20 МэВ" (PDF) . Наука . 307 (5712): 1085–1088. Bibcode : 2005Sci ... 307.1085S . DOI : 10.1126 / science.1107466 . PMID 15718466 . S2CID 33354621 .   
  5. ^ Администратор, НАСА (2013-06-07). «Вспышки в небе: всплески гамма-излучения Земли, вызванные молнией» . НАСА . Проверено 23 мая 2018 .
  6. ^ Гарнер, Роб (2015-06-26). "Ферми ловит штормы, несущие антиматерию" . НАСА . Проверено 23 мая 2018 .
  7. ^ Koehn, К., Эберт, У., Угловое распределение тормозных фотонов и позитроны для расчетов наземных гамма-вспышек и позитронных пучков, Atmos. Res. (2014), т. 135-136, стр. 432-465
  8. ^ Гуревич, А.В.; Милих, GM; Руссель-Дюпре, Р. (июнь 1992 г.). «Механизм пробоя и предварительной обработки воздуха на убегающих электронах во время грозы» (PDF) . Физика Буквы A . 165 (5–6): 463. Bibcode : 1992PhLA..165..463G . DOI : 10.1016 / 0375-9601 (92) 90348-P .
  9. Перейти ↑ Dwyer, JR (2003). «Фундаментальный предел электрических полей в воздухе» . Письма о геофизических исследованиях . 30 (20): 2055. Bibcode : 2003GeoRL..30.2055D . DOI : 10.1029 / 2003GL017781 .
  10. ^ a b Каммер, SA; Zhai, Y .; Hu, W .; Смит, DM; Lopez, LI; Стэнли, Массачусетс (2005). «Измерения и последствия взаимосвязи между молнией и земными гамма-вспышками» . Письма о геофизических исследованиях . 32 (8): L08811. Bibcode : 2005GeoRL..32.8811C . DOI : 10.1029 / 2005GL022778 .
  11. ^ Инан, США ; Коэн, МБ; Сказал, РК; Смит, DM; Лопес, Л.И. (2006). «Земные гамма-вспышки и грозовые разряды» . Письма о геофизических исследованиях . 33 (18): L18802. Bibcode : 2006GeoRL..3318802I . DOI : 10.1029 / 2006GL027085 .
  12. ^ Коэн, МБ; Инан, США; Фишман, Г. (2006). «Наземные гамма-вспышки наблюдались на борту Комптоновской гамма-обсерватории / Эксперимента по всплескам и транзиентным источникам, а также в радиоатмосфере КНЧ / ОНЧ» . Журнал геофизических исследований . 111 (D24): D24109. Bibcode : 2006JGRD..11124109C . DOI : 10.1029 / 2005JD006987 .
  13. ^ C. Koehn и U. Ebert Важность электрон-электронного тормозного излучения для земных гамма-вспышек, электронных и электрон-позитронных лучей J. Phys. Д .: Прил. Phys. как Fast Track Communication (2014), т. 47, 252001
  14. ^ Дуайер, младший; Смит, Д.М. (2005). "Сравнение моделирования пробоя на убегающих газах методом Монте-Карло и наблюдений за вспышкой гамма-излучения на Земле" (PDF) . Письма о геофизических исследованиях . 32 (22): L22804. Bibcode : 2005GeoRL..3222804D . DOI : 10.1029 / 2005GL023848 .
  15. ^ Уильямс, E .; Boldi, R .; Bór, J .; Sátori, G .; Цена, у.е. Greenberg, E .; Takahashi, Y .; Ямамото, К .; Matsudo, Y .; Hobara, Y .; Hayakawa, M .; Chronis, T .; Anagnostou, E .; Смит, DM; Лопес, Л.И. (2006). «Вспышки молний, ​​способствующие возникновению гамма-излучения и его выходу в космос» . Журнал геофизических исследований . 111 (D16): D16209. Bibcode : 2006JGRD..11116209W . DOI : 10.1029 / 2005JD006447 .
  16. ^ Инан, США ; Лехтинен, Н.Г. (2005). «Создание земных гамма-вспышек электромагнитным импульсом от обратного удара молнии» . Письма о геофизических исследованиях . 32 (19): L19818. Bibcode : 2005GeoRL..3219818I . DOI : 10.1029 / 2005GL023702 .
  17. Перейти ↑ Dwyer, JR (2008). «Механизмы источников земных гамма-вспышек» . Журнал геофизических исследований . 113 (D10): D10103. Bibcode : 2008JGRD..11310103D . DOI : 10.1029 / 2007JD009248 .
  18. ^ Köhn, C .; Heumesser, M .; Chanrion, O .; Nishikawa, K .; Reglero, V .; Нойберт, Т. (2020). «Излучение земных гамма-вспышек от столкновения с короной стримеров, связанной с поломкой лидеров молний» . Письма о геофизических исследованиях . 47 (20): e89749. Bibcode : 2020GeoRL..4789749K . DOI : 10.1029 / 2020GL089749 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  19. ^ Heumesser, M .; и другие. (2020). «Спектральные наблюдения оптической молнии, связанной с земными гамма-вспышками» . DOI : 10.1002 / essoar.10504237.1 . Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  20. ^ Дуайер, младший; Грефенстетте, BW; Смит, DM (2008). «Высокоэнергетические электронные пучки, запущенные в космос во время грозы» . Письма о геофизических исследованиях . 35 (2): L02815. Bibcode : 2008GeoRL..35.2815D . DOI : 10.1029 / 2007GL032430 .
  21. ^ Бриггс, MS; Connaughton, V .; Wilson-Hodge, C .; Preece, RD; Фишман, ГДж; Киппен, РМ; Бхат, ПН; Paciesas, RM; Чаплин, ВЛ; Миган, Калифорния; Фон Кинлин, А .; Greiner, J .; Дуайер, младший; Смит, DM (2011). «Электронно-позитронные лучи земной молнии, наблюдаемые с помощью ферми-GBM» . Письма о геофизических исследованиях . 38 (2): н / д. Bibcode : 2011GeoRL..38.2808B . DOI : 10.1029 / 2010GL046259 .
  22. ^ Köhn, C .; Эберт, У. (2015). «Расчет пучков позитронов, нейтронов и протонов, связанных с земными гамма-вспышками» . J. Geophys. Res. Атмосфера . 120 (4): 1620–1635. Bibcode : 2015JGRD..120.1620K . DOI : 10.1002 / 2014JD022229 .
  23. ^ a b Köhn, C .; Диниз, Г .; Хараке, Мухсин (2017). «Механизмы производства лептонов, фотонов и адронов и их возможная обратная связь, близкая к лидерам молний» . J. Geophys. Res. Атмосфера . 122 (2): 1365–1383. Bibcode : 2017JGRD..122.1365K . DOI : 10.1002 / 2016JD025445 . PMC 5349290 . PMID 28357174 .  
  24. ^ Агафонов, А.В.; Багуля А.В.; Далкаров О.Д .; Негодаев, М.А. Огинов, А.В.; Русецкий А.С.; Рябов В.А. Шпаков, К.В. (2013). «Наблюдение за нейтронными всплесками при лабораторном высоковольтном атмосферном разряде». Phys. Rev. Lett . 111 (11): 115003. arXiv : 1304.2521 . Bibcode : 2013PhRvL.111k5003A . DOI : 10.1103 / physrevlett.111.115003 . PMID 24074098 . S2CID 139192 .  
  25. ^ Подпись антивещества, обнаруженного в молнии - Новости науки . Sciencenews.org (05 декабря 2009 г.). Проверено 23 июня 2012.
  26. ^ Фишман, GJ; Бхат, ПН; Malozzi, R .; Horack, JM; Кошут, Т .; Kouvelioton, C .; Пендлтон, GN; Миган, Калифорния; и другие. (1994). «Открытие интенсивных гамма-всплесков атмосферного происхождения». Наука . 264 (5163): 1313–1316. Bibcode : 1994Sci ... 264.1313F . DOI : 10.1126 / science.264.5163.1313 . ЛВП : 2060/19960001309 . PMID 17780850 . S2CID 20848006 .  
  27. ^ США Инан; SC Reising; Дж. Дж. Фишман и Дж. М. Хорак (1996). «О связи земных гамма-всплесков с молнией и последствиях для спрайтов» (PDF) . Письма о геофизических исследованиях . 23 (9): 1017. Bibcode : 1996GeoRL..23.1017I . DOI : 10.1029 / 96GL00746 . ЛВП : 10217/68065 . [ постоянная мертвая ссылка ] . Цитируется elf.gi.alaska.edu Проверено 6 марта 2007 г.
  28. ^ (Duke Today Staff) (2 мая 2005 г.) "Гамма-лучи от гроз?" Герцог сегодня
  29. ^ Грозы стреляют лучами антивещества в космос . News.nationalgeographic.com (11.01.2011). Проверено 23 июня 2012.
  30. ^ Бриггс, Майкл С .; Коннотон, Валери; Уилсон-Ходж, Коллин; Прис, Роберт Д.; Фишман, Джеральд Дж .; Киппен, Р. Марк; Бхат, ПН; Paciesas, William S .; Чаплин, Вандивер Л .; Meegan, Charles A .; фон Кинлин, Андреас; Грейнер, Йохен; Дуайер, Джозеф Р .; Смит, Дэвид М. (2011). «Электронно-позитронные лучи земной молнии, наблюдаемые с помощью ферми-GBM». Письма о геофизических исследованиях . 38 (2): н / д. Bibcode : 2011GeoRL..38.2808B . DOI : 10.1029 / 2010GL046259 . Черновик (PDF).
  31. ^ Охота на загадочную гигантскую молнию из космоса . Мэри Хэлтон, BBC News , 7 апреля 2018 г.

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Баррингтон-Ли, Кристофер П. "Наземные гамма-вспышки после CGRO: перспективы для HESSI" (PDF) . Калифорнийский университет в Беркли , Группа исследований космической физики . Проверено 2 апреля 2005 года .
  • Дуайер, Джозеф Р .; Смит, Дэвид М .; Умань, Мартин А .; Салех, Зиад; Grefenstette, Brian W .; Hazelton, Bryna JC; Расул, Хамид К. (2010). «Оценка флюенса высокоэнергетических электронных всплесков, производимых грозовыми облаками, и результирующих доз радиации, полученных в самолетах» . Журнал геофизических исследований . 115 . Bibcode : 2010JGRD..11509206D . DOI : 10.1029 / 2009JD012039 .
  • Макки, Мэгги (17 февраля 2005 г.). «Земля создает мощные гамма-вспышки» . Новый ученый .
  • Стивенс, Тим (21 февраля 2005 г.). «Новые спутниковые наблюдения за земными гамма-вспышками раскрывают удивительные особенности загадочных взрывов с Земли» . Currents Online .