✖


Jump to content

Земная гамма-вспышка

О гамма-всплесках космического происхождения см. Гамма-всплеск .
Представление художника о гамма-вспышке и связанных с ней явлениях.
Красные точки показывают некоторые из примерно 500 земных гамма-вспышек, ежедневно регистрируемых космическим гамма-телескопом Ферми до 2010 года.

Земная гамма -вспышка ( TGF ), также известная как темная молния , представляет собой всплеск гамма-лучей, образующийся в атмосфере Земли. Зарегистрировано, что TGF действуют от 0,2 до 3,5 миллисекунд и имеют энергию до 20 миллионов электронвольт . Предполагается, что TGF вызваны интенсивными электрическими полями, создаваемыми над или внутри грозы . Ученые также обнаружили энергичные позитроны и электроны, образующиеся в результате земных гамма-вспышек. [1] [2]

Открытие

[ редактировать ]
Энергетический сюжет типичного события TGF с наложенным представлением художника о вспышке гамма-излучения. [2]

Земные вспышки гамма-излучения были впервые обнаружены в 1994 году в ходе эксперимента BATSE (эксперимент по всплескам и переходным источникам) на Комптонской гамма-обсерватории , космическом корабле НАСА . [3] Последующее исследование Стэнфордского университета в 1996 году связало TGF с отдельным ударом молнии , происходящим в течение нескольких миллисекунд после TGF. BATSE обнаружил лишь небольшое количество событий TGF за девять лет (76), поскольку он был создан для изучения гамма-всплесков из космоса, которые длятся гораздо дольше.

В начале 2000-х годов спутник Ramaty High Energy Solar Spectroscope Imager ( RHESSI ) наблюдал TGF с гораздо более высокими энергиями, чем те, которые были зарегистрированы BATSE. [4] Данные RHESSI позволили ученым подсчитать, что каждый день возникает около 50 TGF. [5] больше, чем считалось ранее, но по-прежнему составляет лишь очень небольшую часть от общего количества молний на Земле (в среднем 3–4 миллиона молний в день). Несколько лет спустя ученые, использующие космический гамма-телескоп Ферми НАСА , который был разработан для мониторинга гамма-лучей, подсчитали, что ежедневно во всем мире происходит около 500 TGF, но большинство из них остается незамеченными. [6]

Механизм

[ редактировать ]
Гипотетическое производство TGF над грозовым облаком, вызванное затухающими полями после сильного разряда молнии.

Хотя детали механизма неясны, существует консенсус относительно физических требований. Предполагается, что фотоны TGF испускаются электронами, движущимися со скоростью, очень близкой к скорости света, которые сталкиваются с ядрами атомов в воздухе и выделяют свою энергию в виде гамма-лучей ( тормозное излучение). [7] ). Большие популяции энергичных электронов могут образовываться в результате лавинного роста, вызванного электрическими полями , — явления, называемого релятивистской лавиной убегающих электронов (RREA). [8] [9] Электрическое поле, вероятно, создается молнией, поскольку было показано, что большинство TGF возникают в течение нескольких миллисекунд после удара молнии (Инан и др., 1996). [10] [11] [12] За пределами этой базовой картины детали неясны. Последние исследования показали, что электрон-электрон ( Тормозное излучение ) [13] сначала приводит к обогащению высокоэнергетическими электронами, а затем к увеличению числа высокоэнергетических фотонов.

Некоторые из стандартных теоретических основ были заимствованы из других разрядов, связанных с молниями, таких как спрайты, голубые джеты и эльфы , которые были обнаружены в годы, непосредственно предшествовавшие первым наблюдениям TGF. Например, это поле может возникать из-за разделения зарядов в грозовом облаке («поле постоянного тока»), часто связанного со спрайтами, или из-за электромагнитного импульса (ЭМИ), создаваемого разрядом молнии, часто связанного с эльфами. Есть также некоторые свидетельства того, что определенные TGF возникают в отсутствие ударов молний, ​​хотя и вблизи общей грозовой активности, что вызывает сравнения с голубыми джетами.

Гипотетическое образование TGF вблизи грозового облака, вызванное электромагнитными волнами, излучаемыми сильным импульсом тока молнии.

Модель поля постоянного тока требует очень большого заряда грозовых облаков для создания достаточных полей на больших высотах (например, 50–90 км, где формируются спрайты). В отличие от спрайтов, эти большие заряды, похоже, не связаны с молнией, генерирующей TGF. [10] Таким образом, модель поля постоянного тока требует, чтобы TGF возникал ниже, в верхней части грозового облака (10–20 км), где локальное поле может быть сильнее. Эта гипотеза подтверждается двумя независимыми наблюдениями. Во-первых, спектр гамма-лучей, наблюдаемых RHESSI, очень хорошо соответствует предсказанию релятивистского убегания на высотах 15–20 км. [14] Во-вторых, TGF сильно сконцентрированы вокруг экватора Земли по сравнению с молниями. [15] (Они также могут быть сконцентрированы над водой по сравнению с молниями в целом.) Вершины грозовых облаков расположены выше вблизи экватора , и, таким образом, гамма-лучи от TGF, образующихся там, имеют больше шансов покинуть атмосферу. Тогда это может означать, что существует множество TGF на более низких высотах, невидимых из космоса, особенно в более высоких широтах.

Гипотетическое производство TGF в грозовом облаке.

Альтернативная гипотеза, модель ЭМИ, [16] ослабляет требования к заряду грозового облака, но вместо этого требует большого импульса тока, движущегося с очень высокой скоростью. Требуемая скорость импульса тока очень ограничена, и для этой модели пока нет прямого наблюдательного подтверждения.

Другой гипотетический механизм заключается в том, что TGF производятся внутри самого грозового облака либо в сильных электрических полях вблизи канала молнии, либо в статических полях, существующих в больших объемах облака. Эти механизмы полагаются на чрезвычайную активность канала молнии для запуска процесса (Карлсон и др., 2010) или на сильную обратную связь, позволяющую даже небольшим случайным событиям запустить производство. [17] Монитор атмосферно-космических взаимодействий (ASIM), предназначенный для одновременного измерения оптических сигналов молний и сигналов земных гамма-вспышек, показал, что TGF обычно связаны с оптическими вспышками, что убедительно свидетельствует о том, что релятивистские электроны как предшественники TGF производятся в сильные электрические поля вблизи каналов молнии. [18] [19]

Сопряженные события

[ редактировать ]
Наземная вспышка гамма-излучения (пурпурный) с соответствующими пучками электронов/позитронов (желтый/зеленый), движущимися вдоль силовой линии магнитного поля, которые в конечном итоге могут отразиться обратно в точку магнитного зеркала . [2]

Было высказано предположение, что TGF также должны запускать пучки высокорелятивистских электронов и позитронов, которые покидают атмосферу, распространяются вдоль магнитного поля Земли и выпадают в противоположном полушарии. [20] [21] Несколько случаев TGF на RHESSI, BATSE и Fermi-GBM показали необычные закономерности, которые можно объяснить такими электронно-позитронными пучками, но такие события очень необычны.

Расчеты показали, что TGF могут освобождать не только позитроны, но также нейтроны и протоны. [22] [23] Нейтроны уже были измерены в электрических разрядах. [24] тогда как экспериментального подтверждения существования протонов, связанных с разрядом, нет (2016). Недавние исследования показали, что флюенс этих нейтронов составляет от 10 −9 и 10 −13 за мс и за м 2 в зависимости от высоты обнаружения. Энергия большинства этих нейтронов даже при начальной энергии 20 МэВ снижается до кэВ-диапазона за 1 мс. [23]

Другие исследования

[ редактировать ]

Вспышки земного гамма-излучения бросают вызов современным теориям молний, ​​особенно после открытия явных признаков антивещества, образующегося в молниях. [25]

За последние 15 лет было обнаружено, что среди молниевых процессов есть некий механизм, способный генерировать гамма-лучи , которые выходят за пределы атмосферы и наблюдаются орбитальными космическими аппаратами. Об этом сообщил Джеральд Фишман из НАСА в 1994 году в статье в журнале Science . [3] эти так называемые земные гамма-всплески (TGF) были обнаружены случайно, когда он документировал случаи внеземных гамма-всплесков, наблюдаемых Комптонской гамма-всплесками (CGRO). Однако TGF гораздо короче по продолжительности и составляют всего около 1 мс.

Профессор Умран Инан из Стэнфордского университета связал TGF с отдельным ударом молнии, произошедшим в течение 1,5 мс после события TGF. [26] впервые доказав, что TGF имеет атмосферное происхождение и связан с ударами молний.

CGRO зафиксировала всего около 77 событий за 10 лет; однако совсем недавно космический аппарат Reuven Ramaty High Energy Solar Spectroscope Imager (RHESSI), как сообщил Дэвид Смит из Калифорнийского университета в Санта-Крус , наблюдал TGF с гораздо более высокой частотой, что указывает на то, что они происходят примерно 50 раз в день во всем мире (все еще очень малая доля всех молний на планете). Зарегистрированные уровни энергии превышают 20 МэВ.

Ученые из Университета Дьюка также изучают связь между определенными явлениями молний и загадочными выбросами гамма-лучей, исходящими из собственной атмосферы Земли, в свете новых наблюдений TGF, сделанных RHESSI. Их исследование предполагает, что это гамма-излучение поднимается вверх от исходных точек на удивительно малых высотах в грозовых облаках.

Университета Дьюка Стивен Каммер из инженерной школы Пратта сказал: «Это гамма-лучи с более высокой энергией, чем те, что исходят от Солнца. И все же здесь они исходят от земной грозы, которую мы видим здесь все время». [27]

Ранние гипотезы об этом указывали на то, что молния генерирует сильные электрические поля и запускает лавину релятивистских убегающих электронов на высотах значительно выше облаков, где тонкая атмосфера позволяет гамма-лучам легко уходить в космос, подобно тому, как спрайты генерируются . Однако последующие данные показали, что вместо этого TGF могут создаваться путем движения релятивистских электронных лавин внутри или чуть выше высоких грозовых облаков. Хотя этим теориям препятствует поглощение выходящих гамма-лучей атмосферой, они не требуют исключительно сильных молний, ​​на которые опираются высотные теории генерации TGF.

Роль TGF и их связь с молнией остается предметом продолжающихся научных исследований.

В 2009 году космический гамма-телескоп Ферми на околоземной орбите наблюдал интенсивный всплеск гамма-лучей, соответствующий аннигиляции позитронов, выходящих из грозового образования. Ученые не удивились бы, увидев несколько позитронов, сопровождающих любой интенсивный гамма-всплеск, но вспышка молнии, обнаруженная Ферми, по-видимому, произвела около 100 триллионов позитронов. Об этом сообщили средства массовой информации в январе 2011 года, и ранее такого явления не наблюдалось. [28] [29]

Монитор атмосферно -космических взаимодействий (ASIM), эксперимент, посвященный изучению TGF, был запущен на Международную космическую станцию ​​2 апреля 2018 года и установлен на внешнем комплексе полезной нагрузки «Колумбус» 13 апреля 2018 года. [30]

См. также

[ редактировать ]
Викискладе есть медиафайлы по теме земных гамма-вспышек .

Ссылки

[ редактировать ]
  1. ^ Палмер, Джейсон (11 января 2011 г.). «Антиматерия поймана потоком грозы на Земле» . Новости Би-би-си . Проверено 17 января 2016 г.
  2. ^ Jump up to: а б с Перротто, Трент; Андерсон, Джанет (10 января 2011 г.). «Ферми НАСА ловит грозы, выбрасывающие антиматерию в космос» (пресс-релиз). НАСА . Архивировано из оригинала 21 января 2019 года . Проверено 17 января 2016 г.
  3. ^ Jump up to: а б Фишман, Дж.Дж.; Бхат, ПН; Маллоцци, Р.; Хорак, Дж. М.; Кошут, Т.; Кувелиоту, К.; Пендлтон, Дж.Н.; Миган, Калифорния; Уилсон, РБ; Пациас, WS; Гудман, С.Дж.; Кристиан, HJ (27 мая 1994 г.). «Открытие интенсивных гамма-вспышек атмосферного происхождения» (PDF) . Наука . 264 (5163): 1313–1316. Бибкод : 1994STIN...9611316F . дои : 10.1126/science.264.5163.1313 . hdl : 2060/19960001309 . ПМИД   17780850 . S2CID   20848006 . Архивировано из оригинала (PDF) 10 марта 2012 года . Проверено 28 августа 2015 г.
  4. ^ Смит, Д.М.; Лопес, Л.И.; Лин, Р.П.; Баррингтон-Ли, CP (2005). «Наблюденные земные гамма-вспышки до 20 МэВ» (PDF) . Наука . 307 (5712): 1085–1088. Бибкод : 2005Sci...307.1085S . дои : 10.1126/science.1107466 . ПМИД   15718466 . S2CID   33354621 . Архивировано из оригинала (PDF) 9 августа 2017 г. Проверено 28 августа 2015 г.
  5. ^ Администратор НАСА (07.06.2013). «Вспышки в небе: гамма-всплески Земли, вызванные молнией» . НАСА . Архивировано из оригинала 3 июня 2016 г. Проверено 23 мая 2018 г.
  6. ^ Гарнер, Роб (26 июня 2015 г.). «Ферми ловит штормы, бросающие антиматерию» . НАСА . Проверено 23 мая 2018 г.
  7. ^ Кён, К., Эберт, У. , Угловое распределение фотонов тормозного излучения и позитронов для расчетов земных гамма-вспышек и позитронных пучков, Atmos. Рез. (2014), вып. 135-136, стр. 432-465.
  8. ^ Гуревич А.В.; Милих, генеральный директор; Руссель-Дюпре, Р. (июнь 1992 г.). «Механизм пробоя воздуха и предварительная подготовка воздуха на основе убегающих электронов во время грозы» (PDF) . Буквы по физике А. 165 (5–6): 463. Бибкод : 1992PhLA..165..463G . дои : 10.1016/0375-9601(92)90348-П . Архивировано из оригинала (PDF) 17 февраля 2013 г. Проверено 28 августа 2015 г.
  9. ^ Дуайер, младший (2003). «Фундаментальный предел электрических полей в воздухе» . Письма о геофизических исследованиях . 30 (20): 2055. Бибкод : 2003GeoRL..30.2055D . дои : 10.1029/2003GL017781 .
  10. ^ Jump up to: а б Каммер, ЮАР; Чжай, Ю.; Ху, В.; Смит, Д.М.; Лопес, Л.И.; Стэнли, Массачусетс (2005). «Измерения и последствия связи между молниями и земными вспышками гамма-излучения» . Письма о геофизических исследованиях . 32 (8): L08811. Бибкод : 2005GeoRL..32.8811C . дои : 10.1029/2005GL022778 . S2CID   14055893 .
  11. ^ Инан, США ; Коэн, МБ; Саид, РК; Смит, Д.М.; Лопес, Л.И. (2006). «Земные гамма-вспышки и грозовые разряды» . Письма о геофизических исследованиях . 33 (18): L18802. Бибкод : 2006GeoRL..3318802I . дои : 10.1029/2006GL027085 .
  12. ^ Коэн, МБ; Инан, США; Фишман, Г. (2006). «Земные вспышки гамма-излучения, наблюдаемые на борту Комптонской обсерватории гамма-излучения / Эксперимент по всплескам и переходным источникам, а также радиоатмосферные явления ELF / VLF» . Журнал геофизических исследований . 111 (Д24): Д24109. Бибкод : 2006JGRD..11124109C . дои : 10.1029/2005JD006987 .
  13. ^ К. Кён и У. Эберт. Важность электрон-электронного тормозного излучения для земных гамма-вспышек, электронных пучков и электрон-позитронных пучков.Дж. Физ. Д.: Прил. Физ. как Fast Track Communication (2014), том. 47, 252001
  14. ^ Дуайер, младший; Смит, DM (2005). «Сравнение моделирования безудержного пробоя Монте-Карло и наблюдений земных гамма-вспышек» (PDF) . Письма о геофизических исследованиях . 32 (22): L22804. Бибкод : 2005GeoRL..3222804D . дои : 10.1029/2005GL023848 .
  15. ^ Уильямс, Э.; Болди, Р.; Бор, Дж.; Сатори, Г.; Прайс, К.; Гринберг, Э.; Такахаши, Ю.; Ямамото, К.; Мацудо, Ю.; Хобара, Ю.; Хаякава, М.; Хронис, Т.; Анагносту, Э.; Смит, Д.М.; Лопес, Л.И. (2006). «Вспышки молний способствуют образованию и выходу гамма-излучения в космос» . Журнал геофизических исследований . 111 (Д16): Д16209. Бибкод : 2006JGRD..11116209W . дои : 10.1029/2005JD006447 .
  16. ^ Инан, США ; Лехтинен, Н.Г. (2005). «Получение земных гамма-вспышек электромагнитным импульсом от ответного удара молнии» . Письма о геофизических исследованиях . 32 (19): L19818. Бибкод : 2005GeoRL..3219818I . дои : 10.1029/2005GL023702 .
  17. ^ Дуайер, младший (2008). «Источники земных гамма-вспышек» . Журнал геофизических исследований . 113 (Д10): Д10103. Бибкод : 2008JGRD..11310103D . дои : 10.1029/2007JD009248 .
  18. ^ Кён, К.; Хоймессер, М.; Чанрион, О.; Нисикава, К.; Реглеро, В.; Нойберт, Т. (2020). «Излучение земных гамма-вспышек от встречных корон стримеров, связанное с разрушением лидеров молний» . Письма о геофизических исследованиях . 47 (20): e89749. Бибкод : 2020GeoRL..4789749K . дои : 10.1029/2020GL089749 .
  19. ^ Хоймессер, М.; и др. (2020). «Спектральные наблюдения оптической молниевой активности, связанной с земными гамма-вспышками» . Письма о геофизических исследованиях . дои : 10.1002/essoar.10504237.1 . hdl : 10261/240037 .
  20. ^ Дуайер, младший; Грефенштетте, BW; Смит, DM (2008). «Пучки высокоэнергетических электронов, запускаемые в космос грозами» . Письма о геофизических исследованиях . 35 (2): L02815. Бибкод : 2008GeoRL..35.2815D . дои : 10.1029/2007GL032430 .
  21. ^ Бриггс, Миссисипи; Коннотон, В.; Уилсон-Ходж, К.; Прис, РД; Фишман, Дж.Дж.; Киппен, РМ; Бхат, ПН; Пасиас, РМ; Чаплин, В.Л.; Миган, Калифорния; Фон Кьенлин, А.; Грейнер, Дж.; Дуайер, младший; Смит, DM (2011). «Электрон-позитронные пучки земной молнии, наблюдаемые с помощью Ферми GBM» . Письма о геофизических исследованиях . 38 (2): н/д. Бибкод : 2011GeoRL..38.2808B . дои : 10.1029/2010GL046259 . S2CID   56402672 .
  22. ^ Кён, К.; Эберт, У. (2015). «Расчет пучков позитронов, нейтронов и протонов, связанных с земными гамма-вспышками» . Дж. Геофиз. Рез. Атмосфера . 120 (4): 1620–1635. Бибкод : 2015JGRD..120.1620K . дои : 10.1002/2014JD022229 .
  23. ^ Jump up to: а б Кён, К.; Диниз, Г.; Хараке, Мухсин (2017). «Механизмы образования лептонов, фотонов и адронов и их возможная обратная связь, близкая к молниеносным лидерам» . Дж. Геофиз. Рез. Атмосфера. 122 (2): 1365–1383. Бибкод : 2017JGRD..122.1365K . дои : 10.1002/2016JD025445 . ПМЦ   5349290 . ПМИД   28357174 .
  24. ^ Агафонов А.В.; Багуля, А.В.; Далкаров, О.Д.; Негодаев, М.А.; Огинов А.В.; Русецкий А.С.; Рябов В.А.; Шпаков, КВ (2013). «Наблюдение нейтронных всплесков лабораторного высоковольтного атмосферного разряда». Физ. Преподобный Летт . 111 (11): 115003. arXiv : 1304.2521 . Бибкод : 2013PhRvL.111k5003A . дои : 10.1103/physrevlett.111.115003 . ПМИД   24074098 . S2CID   139192 .
  25. ^ Коуэн, Рон (6 ноября 2009 г.). «Сигнатура антивещества обнаружена в молниях» . Новости науки . Архивировано из оригинала 10 ноября 2009 г. Проверено 23 июня 2012 г.
  26. ^ США Инан; СК Рейзинг; Г. Дж. Фишман и Дж. М. Хорак (1996). «О связи земных гамма-всплесков с молниями и последствиях для спрайтов» (PDF) . Письма о геофизических исследованиях . 23 (9): 1017. Бибкод : 1996GeoRL..23.1017I . дои : 10.1029/96GL00746 . hdl : 10217/68065 . [ постоянная мертвая ссылка ] . Цитируется elf.gi.alaska.edu . Проверено 6 марта 2007 г.
  27. ^ «Гамма-лучи от грозы?» . Герцог сегодня . 2 мая 2005 года . Проверено 17 декабря 2023 г. (Персонал Duke Today)
  28. ^ Грозы стреляют лучами антивещества в космос . News.nationalgeographic.com (11 января 2011 г.). Проверено 23 июня 2012 г.
  29. ^ Бриггс, Майкл С.; Коннотон, Валери; Уилсон-Ходж, Коллин; Прис, Роберт Д.; Фишман, Джеральд Дж.; Киппен, Р. Марк; Бхат, ПН; Пасиас, Уильям С.; Чаплин, Вандивер Л.; Миган, Чарльз А.; фон Кинлин, Андреас; Грейнер, Йохен; Дуайер, Джозеф Р.; Смит, Дэвид М. (2011). «Электрон-позитронные пучки земной молнии, наблюдаемые с помощью Ферми GBM» . Письма о геофизических исследованиях . 38 (2). Бибкод : 2011GeoRL..38.2808B . дои : 10.1029/2010GL046259 . S2CID   56402672 .
  30. ^ Мэри Хэлтон (6 апреля 2018 г.). «Охота на загадочную гигантскую молнию из космоса» . Новости Би-би-си . Проверено 17 декабря 2023 г.

Дальнейшее чтение

[ редактировать ]
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Terrestrial_gamma-ray_flash&oldid=1218939690"
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 8f5cf19c1a38db4509f21c85ccbf20e0__1713113820
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/8f/e0/8f5cf19c1a38db4509f21c85ccbf20e0.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Terrestrial gamma-ray flash - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)