Юный техник, 2009 № 08

Ответ на этот вопрос ученые нашли даже не в атмосфере — в далеком космосе. Представьте, где-то далеко-далеко от нас, в дальней галактике, взорвалась звезда, породив излучение. Космические лучи рано или поздно достигают Земли и атакуют атмосферу. При пролете же через воздушное пространство возникает гамма-излучение, порождающее рентгеновские лучи. А они, в свою очередь, создают в атмосфере проводящие каналы из ионизированного воздуха…

Гипотеза красивая. Впрочем, даже высказавший ее Джозеф Двайер, профессор из университета Флориды, не был уверен в ней до конца, хотя в атмосфере и были экспериментально обнаружены импульсы рентгеновского излучения, совпадающие по времени с разрядами молний.

Во-первых, взрывы сверхновых не такое уж частое явление во Вселенной, а между тем молнии сверкают на земном шаре едва ли не ежесекундно. Во-вторых, сами космические лучи не обладают достаточной мощностью, чтобы пробить весь многокилометровый слой воздуха. Наконец, в конце 90-х годов XX века в грозовом облаке с помощью аппаратуры, размещенной на воздушных шарах, экспериментально зафиксировали резкую вспышку гамма-излучения с энергией фотонов до 100 Кэв. Обычно излучение, создаваемое космическими лучами, в 1000 раз слабее! Что придает столь огромную мощность вспышкам гамма-излучения?

Ответ на этот вопрос настолько заинтересовал исследователей, занимающихся изучением грозы, что в 1991 году они собрались в Национальной лаборатории в Лос-Аламосе, США, для его обсуждения.

Многочасовые прения так ни к чему и не привели, и огорченные ученые стали разъезжаться по своим лабораториям. Был среди них и заведующий сектором взаимодействия радиоволн с плазмой Физического института РАН, академик Александр Викторович Гуревич.

«На обратном пути мне пришлось полтора часа провести в аэропорту Альбукерке в ожидании вылета, — вспоминает он. — Делать было нечего, я просто сидел и думал о загадках грозы. И неожиданно мне стал понятен новый физический механизм электрического пробоя — того явления, которое теперь называется пробоем на убегающих электронах. Это новое физическое явление, в основе которого лежит классический механизм взаимодействия быстрых частиц с веществом, замечательные особенности которого были открыты Резерфордом еще в начале прошлого столетия»…

Чтобы пояснить наглядно, что же такое пробой на убегающих электронах, академик приводит такой пример из жизни. Вы бежите через толпу, она вас сдерживает, вы все равно рветесь вперед. При этом ваша скорость временно уменьшается, но нарастает желание вырваться на простор. И когда вы наконец вырываетесь из толпы, энергия, которую тратили на преодоление торможения, теперь приводит к тому, что скорость ваша резко возрастает. Примерно то же происходит и в атмосфере, по которой распространяется молниевый разряд.

Иными словами, картина молниевого разряда видится ныне ученым такой. После того как в облаке накопился достаточный электрический заряд, в атмосфере происходит формирование так называемого лидера — ионизированного канала, по которому заряд, словно по проводу, может перемещаться на большие расстояния.

Интересно, что лидер движется к земле не плавно, а скачками. В итоге сам разряд молнии выглядит зигзагообразным. Как все в точности происходит, остается пока загадкой. Но примерный сценарий сегодня таков. Формированию первичного лидера способствует ионизация воздуха с помощью космических лучей. Однако при обычном разряде электроны движутся довольно медленно, так как им мешают постоянные столкновения с молекулами воздуха, сила сопротивления которого возрастает с увеличением скорости. Но если в мощном электрическом поле электрон разогнать до скорости в 6 млн. м/с (приблизительно 2 % скорости света), то сила сопротивления начинает уменьшаться (бегун словно бы вырывается из толпы). И такие убегающие электроны способны разгоняться почти до скорости света, приобретая огромную энергию и вызывая пробой в атмосфере.

Однако чтобы описанный процесс начался, требуется наличие затравочных электронов с высокими начальными энергиями. В 1925 году шотландский физик Чарлз Томсон Рис Вильсон предположил, что энергичные электроны возникают при распаде радиоактивных изотопов и столкновении частиц космических лучей с молекулами воздуха, а затем ускоряются в электрических полях грозовых туч. Беда лишь в том, что согласно модели Вильсона радиоактивный распад и космические лучи создают слишком мало убегающих электронов.

В 1991 году Александр Гуревич скорректировал модель Вильсона, показав, что в очень сильных электрических полях убегающие электроны могут появляться в результате ускорения всегда имеющихся свободных электронов низкой энергии, которых в атмосфере вполне достаточно.

Казалось бы, проблема решена. Но эксперимент того же Гуревича показал: чтобы низкоэнергетические электроны ускорялись до пороговой энергии убегания, необходимо электрическое поле, приблизительно в 10 раз большее, чем обычное поле пробоя, которое, в свою очередь, намного больше, чем поля, наблюдаемые во время грозы.

Лишь спустя несколько лет совместными усилиями Александр Гуревич, Геннадий Милих из Мэрилендского университета и Роберт Руссель-Дюпре из Лoc-Аламосской национальной лаборатории предложили модель лавины релятивистских убегающих электронов. Согласно ей, убегающие электроны создают эффект лавины.

Немногие начальные электроны создают все больше затравочных энергичных электронов, сталкиваясь с молекулами воздуха и выбивая другие высокоэнергетические электроны. Те тоже разгоняются и сталкиваются с еще большим количеством молекул воздуха, выбивая еще больше энергичных электронов…

Поскольку такой процесс может быть запущен всего одним энергичным стартовым электроном, постоянно имеющегося фона космических лучей и радиоактивных распадов вполне достаточно, чтобы возникла лавина убегающих электронов. Причем для развития событий по описанному сценарию требуется в 10 раз меньшее электрическое поле, чем нужно для обычного пробоя в сухом воздухе.

На высотах же, где происходят грозы, плотность воздуха ниже, чем на уровне моря. Поэтому электрическое поле, необходимое для пробоя на убегающих электронах, составляет приблизительно 150 кВ/м, то есть соответствует величинам, регистрируемым внутри грозовых облаков.

Причем, когда при пробое на убегающих электронах высокоэнергетичные частицы ионизируют большое количество молекул воздуха, те, в свою очередь, создают рентгеновское излучение высокой энергии, а также гамма-лучи (так называемое тормозное излучение), которые и регистрируются при замерах.

Окончательно убедиться в правильности новой теории наши исследователи надеются с помощью специализированного спутника «Чибис», который с помощью грузового корабля «Прогресс» будет выведен в космос в середине нынешнего, 2009 года. А если его одного окажется недостаточно, то в будущем исследователи надеются создать систему малых спутников, которые станут пристально следить за грозами на земном шаре и наконец-таки позволят разгадать все загадки этого уникального природного явления.

С. НИКОЛАЕВ

ВЕСТИ С ПЯТИ МАТЕРИКОВ

МОРСКОЙ СКОРОХОД — новый корабль ВМС США HSV–X1 — предназначен для перевозки войск. Это судно на воздушной подушке способно развивать рекордные скорости даже по суше. Так, во время недавних маневров 815-тонная машина, на борту которой были люди, транспорт, артиллерия и вертолеты, развил скорость около 40 узлов (приблизительно 70 км/ч).

Такое транспортное средство, полагают специалисты, пригодится при преследовании пиратов, которые частенько спасаются бегством на мелководье, недоступном обычным военным кораблям.

НЕ СПИ, ВОДИТЕЛЬ! Интересную систему контроля за состоянием водителя разработали немецкие специалисты. Бортовой компьютер отслеживает изменения скорости движения, характера и скорости вращения рулевого колеса, включение указателей поворота и нажатия на педали тормоза и газа. На основе этих данных в течение первых минут поездки составляется индивидуальный стиль вождения шофера. И как только он начинает меняться, система, распознав характерные признаки переутомления водителя, поднимает тревогу с помощью звукового сигнала.