В рамках крупного научного мероприятия RAS National Astronomy Meeting (NAM 2010, Glasgow, UK) 14 апреля этого года исследователем молний, доктором Мартином Фаллекрагом (Martin Fullekrug) из университета Бата (Bath, UK) была представлена научная работа, в которой повествуется об открытии гигантских природных ускорителей элементарных заряженных частиц, которые могут формироваться на высоте 40 км и выше над поверхностью Земли.

В моменты, когда особенно интенсивные разряды молнии, порождаемых грозовыми облаками, совпадают с потоками частиц высокой энергии, приходящими из космоса (космические лучи), возникают благоприятные условия для формирования гигантского ускорителя элементарных частиц над грозовыми облаками.

Космические лучи взаимодействуя с молекулами воздуха, порождают потоки электронов и эти электроны ускоряются электрическим полем разрядов молнии вверх над грозовыми облаками. Т.о. потоки свободных электронов и электрическое поле молнии являются основой для гигантского природного ускорителя элементарных частиц.

Рис. 1. Диаграмма, поясняющая принцип работы ускорителя частиц. В нижней половине диаграммы разряды молнии в пределах грозовых облаков порождают узкий пучок электронов (расположенный в центре диаграммы), который проходит в верхнюю атмосферу.

Разрядка молнии в грозовом облаке порождает сильное электрическое поле выше грозовой тучи (черные овалы). Космические лучи выбивают электроны у нейтральных воздушных молекул (отмечено желтой звездой), в результате чего последние ускоряются вверх электрическим полем молнии. Ускоренные электроны выбивают электроны у других атомов, в результате образуется электронная лавина, представленная узким пучком частиц (обозначено красной линией). Ускоренные потоки заряженных частиц испускают электромагнитное излучение в радиодиапазоне (обозначено фиолетовым и синим цветом), которое распространяется на болшие расстояния к радиоприемнику (см. рис. 2).

Ускоренные электроны образуют узко направленный пучок, который может проходить сквозь самый низкий слой атмосферы (тропосферу), также преодалевать среднюю область атмосферы − мезосферу и выходить в околоземное пространство. Самые быстрые электроны способны пробираться в радиационный пояс Земли и вызывать в последнем существенные возмущения, которые, в свою очередь, могут стать серьезной помехой для нормальной работы искусственных спутников Земли. Поток энергии отдельных электронных пучков может быть сравним с мощностью малой атомной электростанции.

«Особенность определения высоты расположения одного из таких естественных ускорителей элементарных частиц связана с регистрацией радиоволн, испускаемых потоком ускоренных частиц» – говорит доктор Фаллекраг.

Рис. 2. Новый широкополосный цифровой радиоприемник, созданный специально для анализа радиоволн, порождаемых потоками заряженных частиц.

Эти радиоволны были предсказаны коллегой Фаллекрага − доктором Робертом Руссэль-Дюпре (Robert Roussel-Dupré), на основе результатов компьютерного моделирования указанного процесса, выполненного в Национальной лаборатории Лос-Аламоса с использованием суперкомпьютера.

Рис. 3. Зарегистрированные учеными импульсы, приходящие через 4,5 и 9 мс после грозового разряда (иллюстрация из Journal of Geophysical Research).

Команда европейских ученых, из Дании, Франции, Испании и Великобритании помогла обнаружить интенсивные разряды молнии на юге Франции, которые являются пусковым устройством ускорителя частиц. Они наблюдали область, расположенную выше грозовых облаков с использованием видеокамер и сообщили об обнаружении разрядов молнии, которые были настолько интенсивными, что порождали свечения части небосвода, расположенного выше грозовых облаков, известные как эльфы. Было обнаружено, что малая доля этих эльфов совпадает с потоками космических лучей.

Рис. 4. Изображение эльфа над грозовым облаком, полученного в Южной Франции 02.09.2009 года. Эльф был снят с использованием видеокамеры обсерватории Миди-Перенеи (Midi- Pyrenees) с высоты 2877 м.

Область, расположенная выше грозовых облаков, у специалистов давно уже под подозрением, как «область для возникновения природного ускорителя частиц». Впервые идею о природном ускорителе элементарных частиц высказал шотландский физик, лауреат Нобелевской премии Чарльз Томсон Риз Вильсон еще в 1925 году.

Планируется , что в последующие несколько лет в рамках программ исследований пяти различных космических миссий (TARANIS, ASIM, CHIBIS, IBUKI и FIREFLY) будут исследованы потоки быстрых частиц непосредственно.

Доктор Фаллекраг комментирует: “Является весьма интригующим видеть, как сама природа создает ускорители частиц на высоте нескольких миль непосредственно над нашими головами. Как только эти новые миссии изучат их более подробно из космоса, мы сможем получить намного более осознанное представление о том, как они фактически возникают и функционируют. Ускорители являются ярким примером взаимодействия между Землей и более широкой Вселенной”.

Результаты исследований представлены в статье:

M. Fullekrug, R. Roussel-Dupre, E. M. D. Symbalisty, O. Chanrion, A. Odzimek, O. van der Velde, and T. Neubert Relativistic runaway breakdown in low-frequency radio. − Journal of geophysical research, V.115. − A00E09, doi:10.1029/2009JA014468, 2010.

Статья переведена и отредактирована Ю.П. Филипповым