Грозовое облако кажется доступным для изучения: оно находится всего в нескольких километрах над землёй. На практике измерить происходящее внутри него чрезвычайно трудно. Самолёты и зонды способны проникать в грозы лишь эпизодически, тогда как электрическая структура облака быстро меняется и занимает огромный объём. Неожиданное решение пришло буквально из космоса. Физики научились использовать мюоны — частицы, непрерывно пролетающие через атмосферу, — как естественные зонды гигантских электрических полей внутри гроз.
Эксперимент GRAPES-3 расположен в индийском городе Ути и первоначально создавался совсем не для метеорологии. Его задача — исследование космических лучей. Но входящий в установку мюонный телескоп площадью около 560 квадратных метров ежедневно регистрирует примерно четыре миллиарда мюонов. Такая огромная статистика позволяет замечать чрезвычайно небольшие изменения их потока.
История мюона начинается высоко над Землёй. Из космоса постоянно прилетают высокоэнергетические частицы, большинство из которых представляет собой протоны. Сталкиваясь с ядрами атомов атмосферы, они запускают каскады вторичных частиц. Среди продуктов этих столкновений появляются мюоны.
Мюон похож на гораздо более тяжёлый электрон и обладает электрическим зарядом. Он нестабилен, однако движется со скоростью, близкой к скорости света, поэтому многие атмосферные мюоны успевают достичь поверхности Земли. Высокая проникающая способность позволяет им проходить через значительные толщи вещества и делает удобными природными зондами.
Но для исследования гроз особенно важно другое свойство. В атмосфере рождается неодинаковое количество положительно и отрицательно заряженных мюонов. Положительных обычно больше. Именно эта небольшая асимметрия превращает поток космических частиц в своеобразный датчик атмосферного электричества.
Внутри мощной грозы положительные и отрицательные заряды разделяются между различными областями облака. Между ними возникает электрическое поле и огромная разность потенциалов. Пролетающий через такую область заряженный мюон либо получает энергию, либо теряет её — в зависимости от знака его заряда и направления поля.
Если бы положительных и отрицательных мюонов было строго поровну, изменения во многом компенсировали бы друг друга. Одни частицы ускорялись бы, другие замедлялись, а общий поток на поверхности изменялся бы гораздо слабее. Но поскольку положительных мюонов больше, компенсация оказывается неполной.
GRAPES-3 способен зарегистрировать эту небольшую разницу. По изменению количества мюонов исследователи восстанавливают информацию об электрическом потенциале грозового облака, причём прибору для этого вообще не требуется входить в грозу.
Такой подход уже принёс впечатляющий результат. В предыдущей работе команда оценила электрический потенциал одной грозы примерно в 1,3 гигавольта — 1,3 миллиарда вольт. Возможность существования столь больших потенциалов в грозовых системах обсуждалась физиками давно, однако непосредственные измерения внутри облаков обычно давали значительно меньшие значения.
Но огромный массив данных GRAPES-3 породил новую загадку. С апреля 2011-го по декабрь 2020 года установка зарегистрировала 487 грозовых событий. При этом 81,5% приходилось на восточную часть поля зрения телескопа и лишь 13,7% — на западную. Разница почти шесть к одному выглядела так, будто природа почему-то предпочитала создавать электрически мощные грозы с одной стороны обсерватории.
Проверка независимыми приборами показала, что погода здесь ни при чём. Измерители атмосферного электрического поля не обнаружили сопоставимого преобладания восточных гроз. Значит, асимметрию создавали не облака, а сам способ их наблюдения.
Разгадка оказалась связана с магнитным полем Земли. Поскольку первичные космические лучи электрически заряжены, их траектории искривляются в геомагнитном поле ещё до столкновения с атмосферой. Причём эффект зависит от направления движения и энергии частицы.
Это явление известно как эффект восток-запад. Геомагнитное поле работает как гигантский естественный фильтр: положительно заряженным космическим частицам определённых энергий легче проникнуть к атмосфере с одних направлений, чем с других. В результате свойства рождающихся мюонных потоков тоже становятся неодинаковыми.
Компьютерное моделирование показало, что в поле зрения GRAPES-3 соотношение положительных и отрицательных мюонов существенно зависит от направления. На востоке оно составляет примерно 1,37, тогда как на западе — около 1,14.
Именно эта разница решает загадку. Чем сильнее преобладают положительные мюоны, тем меньше взаимная компенсация реакции положительных и отрицательных частиц на электрическое поле грозы. Поэтому один и тот же атмосферный электрический эффект создаёт более заметное изменение общего мюонного потока на востоке.
Иными словами, восточные грозы не обязательно сильнее и не обязательно возникают чаще. Телескоп просто лучше их «слышит». Это похоже на микрофон, чувствительность которого немного различается в зависимости от направления: количество источников звука не меняется, но часть из них чаще пересекает порог обнаружения.
Исследователи проверили эту интерпретацию моделированием. Когда в расчёты включили реальную направленную зависимость отношения зарядов мюонов, появилась выраженная асимметрия восток-запад, похожая на наблюдаемую. Когда соотношение положительных и отрицательных мюонов искусственно сделали одинаковым для обоих направлений, эффект исчез.
Для GRAPES-3 это не просто исправление технической погрешности. Теперь исследователи лучше понимают чувствительность своего необычного атмосферного датчика и могут точнее восстанавливать электрические характеристики гроз.
Преимущество мюонов заключается в их постоянном присутствии. Не нужно запускать зонд в каждое облако или направлять самолёт непосредственно в область сильной электрической активности. Атмосфера сама непрерывно снабжается высокоэнергетическими частицами, а наземному детектору остаётся измерять, как гроза изменила их поток.
В этом эксперименте особенно интересно пересечение двух масштабов природы. Частицы, возникшие благодаря космическому излучению далеко за пределами нижней атмосферы, проходят через магнитное поле Земли, рождают мюоны и только затем встречаются с электрическими полями обычной земной грозы. На последнем этапе детектор на поверхности считывает едва заметный результат всей этой цепочки.
То, что начиналось как эксперимент по физике космических лучей, неожиданно превратилось в инструмент атмосферной физики. И теперь частицы, прилетающие к нам из космоса, помогают исследовать одну из самых знакомых и одновременно плохо доступных областей нашей собственной планеты — внутреннее электрическое устройство грозового облака.
- Понравилось: 15
А затем «Добавить на главный экран». 