Российские ученые провели теоретическое исследование лавинного распространения быстрых электронов в грозовых облаках. Авторы разработали аналитическую и вычислительную модели развития наземных гамма-вспышек, которые оказались более реалистичны, чем все предыдущие. Результаты работы опубликованы в журнале JGR: Atmospheres.
Вспышки гамма-излучения в атмосфере связаны с ударами молний. Ученые полагают, что внутри грозовых облаков часто образуются области сравнительно сильного электрического поля, попав в которые, электроны ускоряются. При этом электроны с небольшой энергией (медленные) теряют ее быстрее, чем получают от электрического поля. Электроны с высокой энергией (быстрые) теряют энергию медленнее и поэтому ускоряются иногда до релятивистских скоростей. При взаимодействии с атмосферой электроны могут производить вторичные электроны с достаточной для «убегания» энергией и гамма-кванты, которые, в свою очередь, способны порождать быстрые электроны. Появляется лавина быстрых электронов и параллельная вспышка гамма-излучения. Это явление вызывает научный интерес, особенно из-за его связи с природой возникновения молний. Существует несколько моделей появления таких вспышек, но они все встречаются с некоторыми трудностями при объяснении реальных данных.
Ученые из МФТИ, ВШЭ и Института прикладной физики предположили, что внутри грозы есть много областей сильного электрического поля. При этом в каждой из них поле направлено случайно, но внутри самой области — более или менее однородно. В предложенной модели лавина электронов распространяется внутри области, названной в работе ячейкой реактора. Электроны, попадая в промежуточное пространство слабого поля, быстро теряют энергию, в то время как гамма-луч достигает следующей ячейки и запускает новую лавину электронов. Авторы описали процесс развития гамма-вспышки аналитически и провели его численное моделирование. Оказалось, что новый подход описывает гамма-вспышки точнее, чем другие существующие.
«На основе аналитической модели мы показали, что для развития лавин в реакторах требуются области сильного поля размером от 50 до 500 метров с разным направлением. Отличительной особенностью нашего подхода стал широкий угол, в котором можно наблюдать результирующее гамма-излучение. Это соответствует измерениям, проведенным ранее при помощи космических датчиков гамма-излучения. Мы предполагаем, что лавины электронов могут демонстрировать поведение, которое мы описали в работе, в разных областях с неоднородным электрическим полем, поскольку единственным необходимым условием является достижение тормозным излучением следующей ячейки, в которой развиваются другие лавины. Следовательно, исследование структуры электрического поля грозы имеет решающее значение для понимания физики электронных лавин и гамма-излучения», — говорит соавтор исследования Егор Стадничук.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
