Мигът преди удара на мълнията: учените видяха как срещата на разрядите на мълниите води до появата на гама лъчи

Мълния. Тази дума веднага предизвиква представа за грандиозно, ужасяващо и в същото време хипнотизиращо природно явление. Векове наред светлинните зигзаги, раздиращи бурното небе, са вълнували умовете на хората, пораждали са митове и са ставали обект на първите научни изследвания. Но дори и днес, в епохата на напредналите технологии, този огнен небесен танц пази много тайни. Неотдавнашно изследване на японски учени от университета в Осака, публикувано в престижното списание Science Advances, повдигна завесата над една от най-интригуващите тайни на мълнията – нейната способност да генерира гама лъчи, най-енергийно мощните фотони във Вселената.

Звучи почти като научна фантастика, нали? Нека се спрем малко по-подробно върху това интересно научно откритие.

Гама лъчи… от Земята? Космически гост в нашата атмосфера

Преди всичко, какво представляват гама лъчите? Представете си целия спектър на електромагнитното излъчване – от радиовълните през видимата светлина до рентгеновите лъчи. Гама лъчите са на самия му край, с изключително голяма енергия. Обикновено ги свързваме с истински космически катаклизми: експлозии на свръхнови, активност на черни дупки или сблъсъци на неутронни звезди. Това са процеси, при които се освобождават обеми от енергия, които е трудно да си представим.

А сега се оказва, че нещо подобно, макар и в по-малък мащаб, се случва точно над главите ни, по време на обикновена гръмотевична буря. Тези земни проблясъци на гама-лъчи (TGF – Terrestrial Gamma-ray Flashes) са сравнително ново явление за науката. Хипотезата, че мълнията или светкавицата (линейната мълния) може да е техен източник, съществува отдавна. Предполагаше се, че мощните електрически полета в гръмотевичните облаци са способни да ускоряват електроните до скорости, близки до скоростта на светлината. Тези релативистични електрони, сблъсквайки се с молекулите на въздуха, би трябвало да генерират гама-кванти. Да се улови този момент „ръчно“ се оказа изключително трудно обаче. Защо? Защото цялата тази феерия трае само малка част от секундата – десетки микросекунди! Това е все едно да се опиташ да снимаш куршум в полет с помощта на древен фотоапарат.

Издирването на призрачната светкавица: как се прави

Тук на сцената се появяват изследователите от университета в Осака. Те не само потвърждават старата хипотеза, но и за първи път в света успяват да запишат в детайли самия процес на раждане на TGF, синхронизирайки го с развитието на разряда на мълнията. За тази цел в град Каназава, известен с интензивните си зимни гръмотевични бури, беше разположена цяла мрежа от високотехнологични сензори. Това е истински мултисензорен оркестър, който свири на оптичните и радиовълновите честоти и, разбира се, на високоенергийното гама-излъчване.

Какво видяха те? Картината се оказа смайваща. Учените наблюдаваха как между гръмотевичен облак и наземна предавателна кула се образува мълния. Както знаем, мълнията не удря в един канал. Тя е предшествана от развитието на така наречените лидери – слабо светещи канали от йонизиран въздух. В този случай бяха наблюдавани два такива лидера: единият се спуска от облака надолу, а другият се издига от кулата, за да го посрещне. Това прилича на две електрически „пипала“, които се протягат едно към друго.

И тук, в точката на максималното им сближаване, но все още преди действителното затваряне на веригата и главния, ослепителен удар на мълнията, уредите регистрираха самия земен гама-изблик. Това е ключовият момент! Оказва се, че именно в този момент преди гръмотевичната буря, когато лидерите почти се допират, се създава невероятно концентрирано електрическо поле. То работи като естествен ускорител на частиците, като ускорява свободните електрони във въздуха до скорости, близки до скоростта на светлината.

Микросекундите, които са от решаващо значение

Данните, получени от японските учени, са изумителни по своята точност и значимост. Първият гама-фотон е регистриран 31 микросекунди преди срещата на лидерите. А самото гама-изригване е продължило още 20 микросекунди след сблъсъка им, което е породило основния разряд на мълнията със сила от внушителните около 56 хиляди ампера.

Какво означава това? Означава, че сега вече имаме много по-добро разбиране за това кога и как се раждат тези мистериозни TGF. Това не е страничен ефект от вече възникнал удар на мълния, а по-скоро негов предшественик, възникващ при екстремните условия на сближаване на лидерите. То е като искра, прескачаща преди избухването на голям пожар. Юки Уада, водещ автор на изследването, подчертава:

„Възможността да изучаваме такива екстремни процеси … ни дава възможност да добием по-задълбочена представа за високоенергийните явления, протичащи в земната атмосфера.“

От фундаменталната наука до практическото приложение (и обратно)

Изглежда хубаво – гама лъчи от мълниите, хубаво – физиците са щастливи. Какво общо има това с вас и с мен? Съвсем пряко.

Първо, това е фундаментално знание. Разбирането на такива процеси разширява хоризонтите ни на познание за природата. Виждаме, че Земята е способна на подобни „космически“ специални ефекти. Това помага да се изяснят моделите на развитие на мълниите, да се разбере динамиката на техните лидери, може би дори да се разберат такива фини механизми като „термично ускорение“ или „релативистична обратна връзка“ – това е, когато самите ускорени частици започват да влияят на полето, като допълнително го усилват.

На второ място, има и съвсем практичен аспект. Гама излъчването все пак е радиация. Въпреки че дозите от гама-лъчението, достигащи земната повърхност, са малки, за авиацията, особено за бордовата електроника, то може да представлява известен интерес. Най-важното е, че подробното разбиране на всички етапи от развитието на мълнията, включително тези високоенергийни прекурсори, може да помогне за разработването на по-добри системи за мълниезащита на сградите, електропроводите и другата критична инфраструктура. В края на краищата, ако знаем, че нещо специално се случва преди удара, може би ще можем да открием това „нещо“ и да вземем превантивни мерки.

Както отбелязва Харуфуми Цучия, старши автор на статията:

„Въпреки че някои загадки остават, този метод ни доближи до разбирането на механизма на тези невероятни изблици на радиация.“

И така, с какво разполагаме? Загадката, която измъчва учените от десетилетия, започна да се разкрива. Мълнията, този древен символ на сила и мистерия, се оказва способна на много повече, отколкото сме предполагали. Тя не просто осветява небето и гърми, а е естествен ускорител на частици, генериращ енергийно най-мощното излъчване във Вселената. И всяко подобно откритие, каквото е работата на японските изследователи, не само отговаря на стари въпроси, но, както винаги се случва в науката, поставя нови, още по-интересни. И това е чудесно, защото именно любопитството е двигателят на прогреса.