Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Вспышка гамма-лучей, образующаяся в атмосфере Земли
Вспышки гамма-лучей космического происхождения
Burst of gamma rays produced in the Earth's atmosphere
gamma ray bursts of cosmic origin
Земная гамма-вспышка (TGF), также известная как темная молния, — это кратковременное излучение гамма-лучей, возникающее в атмосфере Земли. Длительность TGF составляет от 0,2 до 3,5 миллисекунд, а энергия достигает 20 миллионов электронвольт. Считается, что TGF вызываются сильными электрическими полями, формирующимися над грозами или внутри них. Ученые также зафиксировали энергичные позитроны и электроны, образующиеся при земных гамма-вспышках.
A terrestrial gamma ray flash (TGF), also known as dark lightning, is a burst of gamma rays produced in Earth's atmosphere. TGFs have been recorded to last 0.2 to 3.5 milliseconds, and have energies of up to 20 million electronvolts. It is speculated that TGFs are caused by intense electric fields produced above or inside thunderstorms. Scientists have also detected energetic positrons and electrons produced by terrestrial gamma ray flashes.
Открытие
[[Файл:TGFenergy. gif|thumb|left|График энергии типичного события TGF с художественным изображением гамма-вспышки. Это число оказалось больше, чем предполагалось ранее, но всё равно составляет лишь очень небольшую долю от общего количества молний на Земле (в среднем 3–4 миллиона молний в день). Спустя несколько лет ученые, использующие космический гамма-телескоп NASA "Ферми", разработанный для наблюдения за гамма-лучами, оценили, что ежедневно во всем мире происходит около 500 TGF, однако большинство из них остаются незамеченными.
[[File:TGFenergy. gif|thumb|left|Energy plot of a typical TGF event, with artist's conception of a gamma ray flash superimposed. more than previously thought but still only representing a very small fraction of the total lightning on Earth (3–4 million lightning events per day on average). A few years later, scientists using NASA's Fermi Gamma ray Space Telescope, which was designed to monitor gamma rays, estimated that about 500 TGFs occur daily worldwide, but most go undetected.
Механизм
Хотя детали механизма остаются неясными, формируется 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 высвобождают свою энергию в виде гамма-лучей (тормозное излучение). Нейтроны уже были измерены в электрических разрядах, в то время как экспериментального подтверждения протонов, связанных с разрядами (2016), нет. Недавние исследования показали, что поток этих нейтронов составляет от 10−9 до 10−13 в секунду на квадратный метр, в зависимости от высоты обнаружения. Энергия большинства этих нейтронов, даже при начальной энергии 20 МэВ, снижается до диапазона кэВ в течение 1 мс. За последние 15 лет было установлено, что среди процессов, происходящих при молнии, существует механизм, способный генерировать гамма-лучи, которые покидают атмосферу и наблюдаются с орбиты космическими аппаратами. В 1994 году Джеральд Фишман из NASA в статье в журнале Science впервые доказал, что TGF имеет атмосферное происхождение и связан с ударами молнии. CGRO зарегистрировал около 77 событий за 10 лет; однако, в последнее время космический аппарат Reuven Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager (RHESSI), как сообщил Дэвид Смит из UC Santa Cruz, наблюдает TGF с гораздо большей частотой, указывая на то, что они происходят примерно 50 раз в день во всем мире (хотя это все еще очень малая доля от общего количества молний на планете). Зарегистрированные уровни энергии превышают 20 МэВ. Ученые из Университета Дьюка также изучают связь между определенными явлениями молний и загадочными гамма-излучениями, исходящими из собственной атмосферы Земли, в свете новых наблюдений TGF, сделанных RHESSI. Их исследование предполагает, что гамма-излучение поднимается вверх из точек, расположенных на удивительно низких высотах в грозовых облаках. Стивен Каммер из инженерной школы Пратта Университета Дьюка сказал: «Это гамма-лучи с более высокой энергией, чем те, что исходят от Солнца. И все же они приходят от земных гроз, которые мы видим здесь постоянно». Ранние гипотезы указывали на то, что молния генерирует сильные электрические поля и вызывает релятивистскую лавину электронов на высотах выше облаков, где разреженная атмосфера позволяет гамма-лучам легко выходить в космос, подобно тому, как генерируются спрайты. Однако последующие данные показали, что TGF могут быть получены путем возбуждения релятивистских электронных лавин внутри или непосредственно над высокими грозовыми облаками. Хотя эти теории затруднены атмосферным поглощением выходящих гамма-лучей, они не требуют исключительно интенсивной молнии, на которую опираются теории генерации TGF на больших высотах. Роль TGF и их связь с молнией остаются предметом продолжающихся научных исследований. В 2009 году гамма-телескоп Fermi, находящийся на орбите Земли, зафиксировал интенсивный всплеск гамма-лучей, соответствующий аннигиляции позитронов, исходящих из штормового образования. Ученые не были бы удивлены, увидев несколько позитронов, сопровождающих любой интенсивный всплеск гамма-лучей, но вспышка молнии, обнаруженная Fermi, по-видимому, произвела около 100 триллионов позитронов. Об этом сообщили в СМИ в январе 2011 года, и ранее такого никогда не наблюдалось. Монитор атмосферных космических взаимодействий (ASIM), эксперимент, посвященный изучению TGF, был запущен на Международную космическую станцию 2 апреля 2018 года и установлен на внешней платформе Columbus 13 апреля 2018 года.
Though the details of the mechanism are uncertain, there is a consensus forming about the physical requirements. It is presumed that TGF photons are emitted by electrons traveling at speeds very close to the speed of light that collide with the nuclei of atoms in the air and release their energy in the form of gamma rays (bremsstrahlung Neutrons have already been measured in electric discharges, whereas there is no experimental confirmation of discharge related protons (2016). Recent research has shown that the fluence of these neutrons lies between 10−9 and 10−13 per ms and per m2 depending on the detection altitude. The energy of most of these neutrons, even with initial energies of 20 MeV, decreases down to the keV range within 1 ms. It has been discovered in the past 15 years that among the processes of lightning is some mechanism capable of generating gamma rays, which escape the atmosphere and are observed by orbiting spacecraft. Brought to light by NASA's Gerald Fishman in 1994 in an article in Science, proving for the first time that the TGF was of atmospheric origin and associated with lightning strikes. CGRO recorded only about 77 events in 10 years; however, more recently the Reuven Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager (RHESSI) spacecraft, as reported by David Smith of UC Santa Cruz, has been observing TGFs at a much higher rate, indicating that these occur about 50 times per day globally (still a very small fraction of the total lightning on the planet). The energy levels recorded exceed 20 MeV. Scientists from Duke University have also been studying the link between certain lightning events and the mysterious gamma ray emissions that emanate from the Earth's own atmosphere, in light of newer observations of TGFs made by RHESSI. Their study suggests that this gamma radiation fountains upward from starting points at surprisingly low altitudes in thunderclouds. Steven Cummer, from Duke University's Pratt School of Engineering, said, "These are higher energy gamma rays than those coming from the Sun. And yet here they are coming from the kind of terrestrial thunderstorm that we see here all the time." Early hypotheses of this pointed to lightning generating high electric fields and driving relativistic runaway electron avalanche at altitudes well above the cloud where the thin atmosphere allows gamma rays to easily escape into space, similar to the way sprites are generated. Subsequent evidence however, has suggested instead that TGFs may be produced by driving relativistic electron avalanches within or just above high thunderclouds. Though hindered by atmospheric absorption of the escaping gamma rays, these theories do not require the exceptionally intense lightning that high altitude theories of TGF generation rely on. The role of TGFs and their relationship to lightning remains a subject of ongoing scientific study. In 2009, the Fermi Gamma ray Space Telescope in Earth orbit observed intense burst of gamma rays corresponding to positron annihilations coming out of a storm formation. Scientists would not have been surprised to see a few positrons accompanying any intense gamma ray burst, but the lightning flash detected by Fermi appeared to have produced about 100 trillion positrons. This was reported by news media in January 2011, and had never been previously observed. The Atmosphere Space Interactions Monitor (ASIM), an experiment dedicated to study TGFs, was launched to the International Space Station on 2 April 2018 and was mounted on the Columbus External Payload Facility on 13 April 2018.