В МФТИ опровергли общепринятую модель рождения «темных молний» в грозовых облаках
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.
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).
Telegram 
Дзен 
VK Древнеримские инженеры проложили колоссальную сеть дорог через Европу, Северную Африку и Ближний Восток, многие участки которой до сих пор поражают безупречной прямолинейностью. Секрет строительства заключался в использовании трех особых геодезических инструментов, с помощью которых разбивали местность на ровные отрезки и размечали трассы.
Ученые Томского политехнического университета совместно с коллегами из Китая предложили универсальный подход для определения с высокой точностью так называемой внутримолекулярной потенциальной функции — информация о ее свойствах позволяет делать прогноз поведения молекулы в различных условиях. Новый подход подходит для самых разных многоатомных молекул. В будущем он позволит точнее предсказывать спектры и динамику молекул как в условиях атмосфер планет Солнечной системы, а также более точно моделировать химические процессы на квантовом уровне.
Звезды типа Солнца в конце жизни превращаются в пульсирующего красного гиганта, а потом – в белого карлика. Ранее считали, что на этом этапе их планеты становятся слишком холодными, ведь белый карлик светит слабо. Новые наблюдения показали, что все намного сложнее и планета может даже прибавить свою температуру. Примерно в 80 световых годах от Земли лежит белый карлик WD 1856. Хотя он всего вдвое легче Солнца, по размерам близок к нашей планете (примерно на треть больше). За счет этого у него огромная плотность, поэтому, несмотря на отсутствие в нем термоядерных реакций (топливо уже кончилось), поверхность этой «мертвой» звезды разогрета почти до пяти тысяч градусов.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
Терраформировать Марс — то есть превратить в мир, где можно жить без защитных куполов — мечта человечества с того момента, как стало понятно, что это холодная планета с призрачной бескислородной атмосферой. Сейчас главный хедлайнер ее освоения — Илон Маск, компания SpaceX которого планирует первые полеты туда уже в 2028 году. Многие энтузиасты вспоминают слова Маска 14-летней давности: Красную планету надо лишь «подремонтировать», чтобы ходить без скафандра. Но между полетом и прогулками по городу-саду на Марсе лежит огромная пропасть. Пару лет назад Naked Science рассматривал положительный сценарий терраформирования. Пришло время подсчитать, сколько же лет и ресурсов потребуется.
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно