Прибор для изучения космических лучей оказался полезен для исследования грозовых облаков. Телескоп GRAPES-3 позволил ученым получить данные об электрических полях внутри гроз и объяснить, почему прибор фиксировал значительно больше грозовых событий с восточной стороны, чем с западной. О том, как космические частицы помогают изучать электричество в атмосфере, — в материале «Известий».

Космические лучи представляют собой непрерывный поток частиц очень высокой энергии, поступающих на Землю из космоса. Большинство первичных космических лучей — протоны. Из-за электрического заряда их траектории отклоняются магнитным полем Земли.

При попадании в атмосферу они сталкиваются с атомными ядрами воздуха и создают потоки вторичных частиц. Среди них есть мюоны — короткоживущие заряженные частицы, которые движутся почти со скоростью света.

Суниль Гупта, автор работы из Индийского института фундаментальных исследований

Космические лучи, которые мы обнаруживаем на поверхности Земли, состоят преимущественно из мюонов. Это частицы с высокой проникающей способностью.

Телескоп GRAPES-3 включает мюонный детектор площадью 560 кв. м и регистрирует около 4 млрд мюонов каждый день. Положительные и отрицательные мюоны поступают к детектору в неодинаковом количестве.

Поскольку первичные космические лучи в основном имеют положительный заряд, положительных мюонов в атмосфере также больше. Этот дисбаланс позволяет использовать GRAPES-3 для исследования гроз. Результаты работы опубликованы в научном журнале Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP).

Внутри грозовых облаков происходит разделение электрических зарядов, из-за чего возникают интенсивные электрические поля и большие разности потенциалов. Когда мюоны проходят через такие области, электрическое поле по-разному воздействует на положительные и отрицательные частицы: положительные мюоны в целом замедляются, а отрицательные ускоряются.

Если бы положительных и отрицательных мюонов было одинаковое количество, эти эффекты в значительной степени компенсировали бы друг друга, и заметного изменения общего потока частиц не возникало бы.

Хари Харан Балакришнан, первый автор работы из Индийского института фундаментальных исследований

Если бы природа обеспечивала равное количество положительных и отрицательных мюонов по всему полю зрения, мы не смогли бы наблюдать грозовое явление при нынешних условиях.

Однако положительных мюонов больше, поэтому грозы вызывают небольшое, но измеримое изменение общего потока частиц. По нему исследователи могут получать информацию об электрическом потенциале внутри грозового облака. По словам Гупта, мюоны на самом деле являются идеальным подарком для проведения таких исследований. Он отметил, что их можно сравнить с электрическим током, проходящим через атмосферу.

Ранее с помощью GRAPES-3 ученым удалось измерить потенциал в 1,3 млрд вольт внутри грозы. При этом прямые измерения ранее достигали лишь около 130 млн вольт. Возможность возникновения настолько больших потенциалов в грозовых облаках предполагалась еще в 1920-х годах.

С апреля 2011 года по декабрь 2020-го GRAPES-3 зарегистрировал 487 грозовых событий. Из них 81,5% пришлись на восточную часть поля зрения прибора, тогда как на западную — только 13,7%. Разница составила почти шесть раз.

Исследователи проверили, не связано ли это с особенностями местной погоды. Для этого они использовали независимый набор приборов, отслеживающий электрическое поле атмосферы. Он не показал аналогичного распределения реальных гроз в пользу восточного направления.

Причина оказалась связана с восточно-западным эффектом. Заряженные частицы отклоняются магнитным полем Земли, поэтому космические лучи с положительным зарядом могут с разной вероятностью достигать атмосферы в зависимости от направления.

Положительно заряженные частицы с меньшей энергией, поступающие с востока, отсеиваются сильнее, чем частицы, приходящие с запада. Этот направленный порог называется геомагнитным отсечением и заметно меняется в разных частях поля зрения GRAPES-3.

Чтобы проверить, может ли этот эффект объяснить наблюдаемую разницу, исследователи провели компьютерное моделирование образования и распространения мюонов в атмосфере. Оно показало, что соотношение положительных и отрицательных мюонов зависит от направления: На востоке оно составляло около 1,37, а на западе — 1,14.

Таким образом, дело не в том, что грозы на востоке обладают более сильным электрическим потенциалом: грозы к востоку не обязательно являются более мощными с точки зрения электрических процессов. Больший дисбаланс между положительными и отрицательными мюонами в этом направлении делает GRAPES-3 более чувствительным к их электрическому воздействию.

Моделирование подтвердило это объяснение: если учитывать зависимость соотношения мюонов от направления, возникает выраженная разница между востоком и западом, похожая на ту, которую наблюдали при работе телескопа. Если же задать одинаковое соотношение для обоих направлений, различие исчезает.

Прямые измерения электрического потенциала внутри грозовых облаков проводить сложно. Обычно для этого необходимы приборы, установленные на самолетах или метеозондах, которые должны находиться внутри или рядом с активной грозой. Такой подход затрудняет наблюдение за масштабным и быстро меняющимся явлением. Мюоны позволяют использовать другой способ. Эти частицы постоянно проходят через атмосферу, а наблюдать за ними можно с поверхности Земли.

Телескоп GRAPES-3 изначально создавался для изучения частиц, приходящих из космоса, и исследования космических лучей. Однако те же частицы теперь помогают ученым изучать электрические процессы внутри грозовых облаков.