Учёные ИПФ РАН и МФТИ обнаружили новые свойства развития лавин электронов в грозовых облаках

Научный сотрудник Института прикладной физики РАН совместно с коллегами из МФТИ обнаружила новые свойства развития лавин релятивистских электронов в грозовых облаках. Это исследование показало, что лавины в поле сложной конфигурации могут усиливать друг друга.

Более подробно об этой работе нам рассказала одна из участниц исследовательской группы, научный сотрудник лаборатории моделирования плазменных геофизических и астрофизических явлений ИПФ РАН Екатерина Свечникова.

- Когда учёные впервые заинтересовались этой темой?

- Гамма-излучение грозовых облаков – явление более высокой энергии, и более загадочное, чем сама гроза.

Впервые энергичные частицы, приходящие от облаков к поверхности земли, были обнаружены с помощью детекторов на спутниках, которые наблюдали за космическими лучами в начале 90-ых годов прошлого века. Десятилетием позже учёные измерили поток этих энергичных частиц. Так начала складываться общая картина. Оказалось, что грозовые облака могут ускорять электроны вторичных космических лучей – потоков энергичных элементарных частиц, приходящих, в основном, от Солнца. При взаимодействии с частицами воздуха в достаточно сильном электрическом поле энергичные электроны могут образовывать новые энергичные электроны, то есть испытывать лавинообразное размножение. Релятивистские электроны создают гамма-излучение, которое может достигать наземных и спутниковых детекторов.

- Каковы результаты вашего исследования?

- Новые свойства развития лавин выяснились благодаря работе сотрудников МФТИ и ИПФ РАН.

В работе мы впервые описали влияние неоднородности электрического поля на развитие лавин релятивистских электронов, а именно – показали, как лавины в поле сложной конфигурации могут усиливать друг друга. Это важно для исследований гамма-излучения, образующегося в грозовых облаках.

- Почему вы решили заняться именно этой темой? Как проходили исследования?

- Лавины энергичных электронов давно интригуют исследователей, однако до сих пор поведение лавин было описано только в однородном электрическом поле – то есть, в очень грубом приближении. Даже в такой простой модели показано, что лавина электронов может усиливать сама себя: созданные в ней позитроны и гамма-кванты могут распространяться в начало лавины, образуя там новые энергичные электроны (Dwyer 2012*). При этом количественные оценки показывают, что эффективность такого механизма обратной связи в условиях настоящих облаков невелика.

Наша команда обратила внимание на давно известный факт о распределении заряда в облаках, подтверждаемый новейшими исследованиями: структура заряда может быть гораздо более сложной, чем простейшая трёхслойная модель грозового облака.

Более того, в облаке может быть множество областей заряда обоих знаков, не обязательно имеющих форму слоёв по вертикали, об этом свидетельствуют данные зондовых измерений электрического поля в облаках, а также результаты численного моделирования разделения заряда. Характерный размер области заряда одного знака – порядка 100 м.

- Можете ли более подробно рассказать о результатах своей работы?

- Два ключевых новшества, которые мы представили в работе – это модель «геометрической обратной связи» и сильно неоднородное электрическое поле облака. Эти концепции тесно связаны друг с другом. Мы приблизились к описанию электрической структуры настоящего облака, представив его как множество случайно расположенных областей с однородным полем в каждой, с разным направлением поля в разных областях.

В такой модели получается, что лавина, созданная в одной области сильного поля, может достигнуть другой области сильного поля, ускоряя развитие лавин там. В этом и состоит геометрическая обратная связь.

Результаты численного моделирования мы сравнили с данными измерений, полученными со спутниковых аппаратов, и показали, что предложенная модель позволяет объяснить ширину пучка гамма-излучения, что не описано в рамках других моделей. Кроме того, оказывается, что при характерных для облаков параметрах геометрическая обратная связь может приводить к значительному увеличению измеряемого потока энергичных частиц, что также приближает нас к более точному описанию экспериментальных данных.

- Каково значение этих результатов для науки?

- Предложенная модель распределения заряда – принципиально важный шаг на пути к описанию реалистичной электрической структуры облака. Впервые описанная геометрическая обратная связь – следствие взаимодействия разнонаправленных лавин электронов, а значит, всегда будет учитываться при изучении динамики лавин в неоднородном поле. В нынешнем виде модель согласуется с необъяснёнными прежде данными наблюдений: в частности, модель объясняет широкий угол направленности излучения, а в приближении случайно ориентированного поля в каждой области предсказывает и вовсе диаграмму направленности, близкую к изотропной. Дальнейшее уточнение модели позволит ещё глубже понять явление энергичного излучения грозовых облаков.

- Как понимание новой модели может быть полезны в обычной жизни?

- Энергичное излучение облаков регистрируется на поверхности земли, а также спутниковыми аппаратами. Гамма-излучение грозовых облаков оказывает влияние на объекты в горной местности, а также на летательные аппараты в непосредственной близости от грозовых облаков. Результаты нашего исследования показывают, что из-за энергичного излучения облаков экипажи самолётов и люди, долго живущие в горный районах, могут получать, скорее всего, не опасную, однако значимую дозу радиации.

- Расскажите о своих планах на дальнейшие исследования.

- Предложенная в работе модель демонстрирует нетривиальное поведение, при том что относительно проста. Нашу команду захватывает идея более точного и детального описания энергичных частиц в электрифицированном облаке. В частности, сейчас мы рассматриваем влияние гидрометеоров – капель воды и кристаллов льда на динамику лавин электронов в облаке. На пути совершенствования моделирования предстоит учесть много аспектов, составляющих сложность и красоту настоящего облака, а также свойства вторичных космических лучей, дающих начало лавинам энергичных электронов.

Более подробно об этом исследовании можно прочитать в статье по ссылке: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2021JD035278

*Dwyer, J. R. (2012), The relativistic feedback discharge model of terrestrial gamma ray flashes, J. Geophys. Res., 117, A02308, doi:10.1029/2011JA017160.