• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
3 августа
ФизТех
415

В МФТИ опровергли общепринятую модель рождения «темных молний» в грозовых облаках

4.7

Один из источников атмосферных гамма-вспышек или так называемых темных молний — лавины электронов, возникающие в грозовых электрических полях. В 2003 году американским ученым Джозефом Дваером была предложена модель, описывающая появление подобных лавин, но сложность расчетов до сих пор не давала проверить ее на реальных данных. В лаборатории методов ядерно-физических экспериментов МФТИ нашли способ определения параметров грозового электрического поля, необходимых для реализации этой модели. Последующее сравнение с данными с аэростатов показало несостоятельность модели Дваера.

В МФТИ опровергли общепринятую модель рождения «темных молний» в грозовых облаках / ©Getty images

Работа опубликована в журнале Atmospheric Research. Лето — время гроз и молний. Казалось бы, это природное явление должно быть хорошо изучено. Еще в XVIII веке Франклин показал, что молнии — это электрические разряды. Им же был предложено защищать здания с помощью железного стержня — молниеотвода. Михаил Ломоносов совместно с Георгом Рихманом тогда же активно занимались изучением атмосферного электричества.

Но, несмотря на интерес многих ученых, мы до сих пор не знаем, откуда берется молния, как она инициируется. Внутри облаков, как показывают измерения, не бывает таких электрических полей, чтобы естественным образом, согласно существующим моделям электрического пробоя, возникал какой-то большой разряд.

Одним из представлений, откуда вообще может взяться молния, является идея об ускорении высокоэнергетичных электронов в грозовых электрических полях. Ускорение электронов приводит к тому, что появляется много частиц со скоростями, близкими к скорости света. Они, двигаясь сквозь облако, рождают ионизацию, которая может инициировать молнии.

В 1970-х годах на орбиту были запущены спутники с гамма-детекторами для изучения космического пространства. Через некоторое время исследователи обнаружили, что в атмосфере Земли тоже случаются гамма-всплески, отличающиеся высокой интенсивностью и короткой длительностью, и происходит это явление в грозовых облаках. Гамма-вспышка — это одно из ярких проявлений жизни релятивистких частиц, сигнал, рожденный электронами, ускоряющимися внутри облака. Сегодня ученые пробуют через понимание происхождения гамма-вспышек разобраться с ускорением электронов и приблизиться к пониманию того, что происходит в момент инициации молнии.

Наиболее признанной на сегодняшний день моделью возникновения гамма-вспышек в грозовых облаках является «Релятивистская модель разряда с обратной связью» американского ученого Джозефа Дваера, выдвинутая им в 2003 году. В грозовом электрическом поле есть летящие со скоростью света электроны. Сталкиваясь с атомами воздуха, они выбивают новые электроны, и таким образом их количество увеличивается.

Один электрон рождает тысячи, получается лавина. Согласно модели, предложенной американским ученым, взаимодействуя с молекулами воздуха, электроны порождают тормозное гамма-излучение, которое позволяет высвободится позитронам. Они положительно заряжены и движутся в обратную сторону относительно лавины электронов. Позитроны, в свою очередь, тоже сталкиваются с молекулами воздуха и тоже выбивают из них электроны, порождая новые лавины. Таким образом реализуется позитронная обратная связь.

До настоящего времени позитронная обратная связь в создании лавин электронов в грозовых облаках изучалась только с помощью сложного трехмерного моделирования. Из-за сложности моделирования исследователи использовали данные плотности воздуха на уровне поверхности земли, в то время как грозы происходят на других высотах. В результате ученым было непонятно, какие нужны условия, чтобы модель реализовывалась в грозовых облаках.

Научный сотрудник МФТИ Егор Стадничук придумал метод, с помощью которого модель Дваера удалось описать аналитически. Согласно этому методу, размножение частиц в грозовых электрических полях рассчитывается с помощью оператора обратной связи. Впервые была получена формула, описывающая размножение электронов за счет позитронов при любых возможных в атмосфере Земли параметрах. Решение было проверено с помощью библиотеки Монте-Карло-моделирования GEANT4. С применением нового метода получены условия, необходимые для возникновения гамма-вспышек в грозовых облаках за счет позитронной обратной связи.

Рассчитанные условия были сопоставлены с имеющимися на сегодня экспериментальными данными. Оказалось, что реально наблюдаемых электрических полей внутри грозовых облаков недостаточно для возникновения гамма-вспышек, согласно «Релятивистской модели разряда с обратной связью». Для описания размножения релятивистских частиц в грозовых облаках требуются какие-то другие теории. Предложенный в данной работе метод потенциально может найти применимость для теоретического описания других моделей и природных явлений.

Егор Стадничук, научный сотрудник лаборатории методов ядерно-физических экспериментов МФТИ, рассказывает: «Наши расчеты показали, что таких электрических полей, чтобы позитроны сильно размножали лавины, не бывает (экспериментально никогда не наблюдались). Условия для бесконечной позитронной обратной связи трудно соблюсти во время земных гроз, что делает бесконечную позитронную обратную связь менее вероятным сценарием для гамма-вспышек».

В конце прошлого года в лаборатории вышла статья, в которой предлагается новая модель гамма-вспышек, лишенная недостатков «Релятивистской модели разряда с обратной связью». Обе работы для физики атмосферного электричества являются прорывными, поскольку они существенно меняют современные представления ученых о природных явлениях, происходящих внутри грозовых облаков. В работе кроме ученых МФТИ принимали участие их коллеги из Института прикладной физики РАН (Нижний Новгород). 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Предстоящие мероприятия
Вчера, 10:57
Сергей Васильев

Напряженная мыслительная деятельность приводит к накоплению нейромедиаторов в синапсах префронтальной коры. Это усложняет их работу и может повреждать нейроны, заставляя мозг сигнализировать об опасности.

Вчера, 16:56
Василий Парфенов

В конце июля многие СМИ опубликовали новости с заголовками вида «Земля стала вращаться быстрее — и ученые не знают почему». К концу первой недели августа тема добралась и до русскоязычного сегмента Сети. На поверку этот инфоповод пусть и без негативных последствий, но демонстрирует основные пороки современной (не только научно-популярной) журналистики. Рассказываем, как в действительности изменяется скорость вращения нашей планеты, насколько хорошо известны причины таких осцилляций, а также почему ученые никогда ничего не знают наверняка (и это нормально).

10 августа
Мария Азарова

Команда австралийских исследователей нашла доказательство того, как формировались и развивались зарождающиеся континенты нашей планеты.

10 августа
Мария Азарова

Команда австралийских исследователей нашла доказательство того, как формировались и развивались зарождающиеся континенты нашей планеты.

10 августа
Анна Новиковская

Быть «кошатником» — вовсе не грех, но, согласно данным нового исследования, такие люди не всегда знают, что лучше для самих кошек. Напротив, хозяева, которые имеют небольшой опыт общения с домашними животными, могут оказаться внимательнее к потребностям питомца и максимизировать его удовольствие от общения с человеком.

10 августа
Василий Парфенов

Изначально выглядевшая многообещающе ракета-носитель Antares в последние годы стала довольно проблемной. Для ее создания требовалась кооперация США, Украины и России, которая в свете сложившейся геополитической обстановки практически невозможна. Решением проблемы станет переход с российских двигателей на созданные в Америке. И ключевую роль в нем сыграет частично украинская компания Firefly Aerospace.

2 августа
Александр Березин

Если западным странам удастся «лишить Кремль нефтяных доходов», то мир ждет геополитическое землетрясение. Только не обязательно в ту сторону, о которой вы сейчас подумали. На фоне того, что последует за «лишением», шок 1973 года может показаться детской игрой. Naked Science попробует оценить размах «потолочного катаклизма» заранее.

31 июля
Александр Березин

Саудовский принц одобрил строительство гигантского «лежачего небоскреба», который должен стать крупнейшим зданием в истории. Причем еще и самым экологичным в мире. Пресса и соцсети полны возмущенных оценок: «это антиутопия!», «проект сырой!» и тому подобным. Однако чисто технически это не так: «Зеркальную линию» на пять миллионов жителей вполне можно построить. И такое здание в самом деле будет энергоэффективным (и формально безуглеродным). Но у проекта есть другие слабые места, лежащие скорее в сфере науки, нежели техники. Naked Science попробовал разобраться в деталях.

27 июля
Алиса Гаджиева

Новое исследование показало, что появившаяся у человека способность переваривать молочный сахар никак не сказалась на распространенности потребления продуктов молочного животноводства.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: