Ученые из МФТИ совместно с коллегами из ВШЭ и Института прикладной физики РАН теоретически исследовали лавинное распространение быстрых электронов в грозовых облаках. Авторы построили аналитическую и вычислительную модели развития наземных гамма-вспышек, порождаемых быстрыми электронами. Описание условий, при которых происходит развитие вспышки, с помощью нового подхода оказалось более реалистичным, чем предыдущие. Результаты работы опубликованы в журнале JGR: Atmospheres.
В 1994 году впервые были обнаружены вспышки гамма-излучения в атмосфере Земли. При последующем изучении этих явлений оказалось, что они связаны с ударами молний (существующие измерения не позволяют точно определить порядок). Энергия вспышки может уходить как в космическое пространство так и на поверхность планеты. Ученые считают, что внутри грозовых облаков часто образуются области сравнительно сильного электрического поля. Попадая в такие зоны, электроны ускоряются. В работах Александра Гуревича был введен термин «лавина убегающих электронов». Смысл этого понятия в том, что медленные электроны (с энергией меньше 300–500 кэВ) в атмосфере теряют энергию быстрее, чем получают ее от электрического поля. В то же время более быстрые электроны теряют энергию медленнее и, как следствие, ускоряются. Это приводит к тому, что быстрые электроны могут ускоряться до релятивистских скоростей (до 50–80 МэВ). При взаимодействии с атмосферой электроны могут рождать как вторичные электроны с достаточной для «убегания» скоростью, так и гамма-кванты, которые, в свою очередь, способны рождать быстрые электроны. Таким образом появляется лавина быстрых электронов и параллельная вспышка гамма-лучей. Они не несут прямой угрозы людям и оборудованию, но представляют значительный научный интерес. Особенно в смысле их связи с природой возникновения молний, с которой до сих пор есть много неясностей. Существует несколько моделей возникновения таких вспышек, но во всех из них есть те или иные трудности с объяснением наблюдаемых данных.
Авторы работы предположили, что внутри грозы есть много разных областей, в которых электрическое поле гораздо сильнее, чем в промежуточном пространстве. При этом в каждой из областей поле направлено случайно, но внутри самой области — более или менее однородно. В рассматриваемой модели лавина электронов распространяется внутри такой области, называемой ячейкой реактора, по аналогии с атомным реактором. Электроны, попадая в промежуточное пространство слабого поля, быстро теряют энергию, в то время как гамма-луч достигает следующей ячейки и запускает новую лавину электронов. Принципиальная схема процесса представлена на Рисунке 1. Авторы описали процесс развития гамма-вспышки аналитически и провели его численное моделирование с использованием разработанной модели. Оказалось, что новый подход позволяет описывать гамма-вспышки точнее, чем другие существующие.
Рисунок 1. Схема распространения лавин электронов в грозовом облаке. Источник: JGR: Atmospheres.
«На основе аналитической модели мы показали, что для развития лавин в реакторах требуются области сильного поля размером от 50 до 500 метров с разным направлением. Отличительной особенностью нашего подхода стал широкий угол, в котором можно наблюдать результирующее гамма-излучение. Это соответствует измерениям, приведенным ранее при помощи космических датчиков гамма-излучения. Мы предполагаем, что лавины электронов могут демонстрировать поведение, которое мы описали в работе, в разных областях с неоднородным электрическим полем, поскольку единственным необходимым условием является достижение тормозным излучением следующей ячейки, в которой развиваются другие лавины. Следовательно, исследование структуры электрического поля грозы имеет решающее значение для понимания физики электронных лавин и гамма-излучения», — дополняет Егор Стадничук, научный сотрудник лаборатории методов ядерно-физических экспериментов МФТИ.
В работе кроме сотрудников МФТИ, ВШЭ и ИПФ РАН приняли участие их коллеги из Института ядерных исследований РАН и Института космических исследований РАН.
