Семинары

О шаровых молниях - как возможном источнике фотонов

3 декабря в ЛФВЭ в онлайн-формате состоялся общелабораторный семинар, на котором с докладом "Шаровая молния как возможный источник фотонов высоких энергий" выступил М.Л.Шматов (Физико-технический институт имени А.Ф.Иоффе РАН, Санкт-Петербург).

Вообще предположения об испускании шаровой молнией ионизирующего излучения, в основном фотонов высоких энергий, обсуждаются более 90 лет, - начал свой доклад Михаил Леонидович. - Они основаны на наблюдательных данных и нескольких моделях шаровых молний. Докладчик представил свою модель шаровой молнии, согласно которой последняя обладает ядром из осциллирующих электронов и почти полностью ионизованных ионов. Электроны в ядре колеблются только в радиальном направлении. Ядро окружено слоем нагретого воздуха, изолирующего его от остальной атмосферы. По предложенной модели электроны могут испускать электромагнитное излучение в рентгеновском и гамма-диапазонах, что соответствует обсуждаемому в литературе предположению о высокой радиационной опасности некоторых шаровых молний.

Ее аналоги - плазменное облако, образующееся при ядерном взрыве в атмосфере вследствие комптоновского рассеяния гамма-квантов, или плазма в ловушке с сеточным (электростатическим) удержанием. Докладчик показал, что в его модели разные параметры шаровой молнии - время жизни, объемная плотность энергии и другие, - имеют вполне разумные значения, модель позволяет рассчитать среднюю скорость испускания фотонов с энергиями определенного диапазона.

Рассказал он и о последних работах 2019-2020 годов, а начал с тех, которые можно считать забытыми. Впервые с таких позиций шаровую молнию рассмотрел К.Ф.Вотлинджер в 1928 году. М.Т.Дмитриев - единственный, кто не только наблюдал шаровую молнию, но и смог взять пробы воздуха после ее разрушения в специальные сосуды. Докладчик вспомнил об исследованиях "атмосферного электричества" Г.Рихмана и М.В.Ломоносова. В России сегодня исследования плазмоидных объектов ведутся в основном в ПИЯФ (Гатчина). М.Л.Шматов привел случаи наблюдения шаровой молнии: в США, когда она вызвала флюоресценцию стекла входной двери, в Хабаровске М.Т.Дмитриев в 1978 году наблюдал плавление около 440 кг мокрого грунта, а молния жила примерно минуту. Спекшийся шлак изучался на предмет повышенной радиоактивности в Комитете по метеоритам АН СССР и НИИЯФ МГУ. Позже Дмитриев пытался смоделировать событие экспериментально, но ему это не удалось. Энергия, которая выделилась в описанном случае, составляет примерно 1,1 ГДж. По предположению Дмитриева, шаровая молния испускала радиоизлучение, М.Л.Шматов считает, что гамма-кванты, и его модель объясняет выделившуюся энергию, как и в другом зафиксированном случае, когда после воздействия шаровой молнии дробь в патронах спеклась.

В Японии в силу ее географического положения грозовые облака находятся низко, бывает, что нижняя кромка оказывается на высоте 500 метров. Много случаев регистрации жесткого излучения возможных шаровых молний фиксируется в японском эксперименте GROWTH (Gamma-Ray Observation of Winter Thunderclouds - "Наблюдение зимних грозовых облаков в гамма-диапазоне"). Он начался со случайной регистрации в 2006 году датчиками утечки радиации на АЭС Кашивазаки-Карива вспышек жесткого излучения. Низкие грозовые облака позволили датчикам зарегистрировать не только обычный фон, но и гамма-излучение от облаков. Необычный случай был зарегистрирован в этом эксперименте 13 января 2012 года: после короткой вспышки зафиксировали длительный поток гамма-излучения, и его длительность соответствовала времени жизни шаровой молнии. М.Л.Шматов воспользовался этим событием, чтобы проверить свою модель. Она хорошо описала некоторые характеристики вспышки и оценила параметры возможной шаровой молнии, также подтвердилось предположение о возможной радиационной опасности шаровых молний.

А с 2015 по 2019 год в японском городе Канадзава, где сложились особо благоприятные условия для возникновения аналогичных вспышек, с помощью специально установленных портативных гамма-детекторов были зарегистрированы 46 вспышек жесткого излучения. Вспышки излучения предшествуют разряду молнии. Рассказал М.Л.Шматов о зафиксированных 1 сентября 2019 года в Арагацском космическом экологическом центре ЕрФИ 15-минутных непрерывных световых всплесках от грозового облака, во время которых увеличился и поток гамма-квантов.

А.Чилингарян вместе с коллегами интерпретировали эти данные как прямое оптическое свидетельство возникновения лавины релятивистских убегающих электронов в грозовой атмосфере. Однако видимый свет и гамма-лучи, зарегистрированные в рассматриваемой ситуации, также могут излучаться роем шаровых молний, возникающих последовательно в течение 14-15 минут. Михаил Леонидович заметил, что очень сложно отличить шаровую молнию от огней святого Эльма, которые могут возникнуть на летящем концентраторе электрического поля (льдинки или насекомые). Он привел параметры и положения шаровых молний, зарегистрированных на Арагаце, рассчитанные по его модели, и заметил, что в этом случае вполне могла наблюдаться группа шаровых молний. А свою модель автор готов проверить на новых экспериментальных данных.

Доклад вызвал заинтересованные вопросы, на которые автор дал обстоятельные ответы.

Ольга ТАРАНТИНА