Физики установили, что грозы запускают ядерные реакции в атмосфере.
Полоса молний в небе над Японией вызвала позитроны – античастицы-эквиваленты электронов - и радиоактивный углерод-14, что подтверждает теоретическое предсказание, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature 22 ноября.
С 1990-х годов орбитальные обсерватории, предназначенные для наблюдения за небом, обнаруживали также вспышки гамма-лучей, приходящих с Земли, которые, как полагали, порождаются атмосферными явлениями. Чтобы исследовать эту теорию, Теруаки Эното, астрофизик из Киотского университета в Японии, и его сотрудники создали систему детекторов гамма-излучения рядом с атомной электростанцией Кашивадзаки-Карива. По их словам, зимние грозы в Японии известны своими сильными молниями, а низкие облака делают их относительно удобными для наблюдений.
6 февраля детекторы зафиксировали необычное событие. Двойной разряд молнии недалеко от берега вырвал начальный, милллисекундный пик всплеска гамма-лучей с относительно высокими энергиями до 10 МэВ. За этим последовало послесвечение в гамма-лучах, длящееся менее полсекунды. Затем была третья стадия - гамма-лучи с энергией в районе 511 кэВ, которая длилась около минуты. Физики говорят, что это несомненная «подпись» позитронов, аннигилирующих с выбросом энергии, когда они ударяют по электронам в окружающую материю.
Три волны гамма-лучей указывают на фотоядерную реакцию, впервые предложенную 10 лет назад физиком Российского федерального ядерного центра в Сарове Леонидом Бабичем. Молния может ускорить некоторые электроны почти до скорости света, и электроны могут затем производить гамма-лучи. Бабич предположил, что, когда эти гамма-лучи попадают в ядро атома азота в атмосфере, столкновение может высвободить нейтрон. После короткого отскока большинство нейтронов поглощается другим азотным ядром. Это добавляет энергию принимающему ядру и приводит его в возбужденное состояние. По мере того, как принимающее ядро расслабляется до своего исходного состояния, оно излучает другой гамма-луч, что способствует подавлению гамма-излучения.
Между тем, ядро азота, потерявшее один нейтрон, крайне нестабильно. В следующую минуту или около того идет его радиоактивный распад; при этом он излучает позитрон, который почти сразу аннигилирует электроном, создавая два фотона 511 кэВ. Это был третий сигнал, говорит Эното. Он подозревает, что его детекторы смогли зарегистрировать это только потому, что короткое радиоактивное облако было низким и двигалось к детекторам. Такое сочетание обстоятельств может помочь объяснить, почему фотоядерная сигнатура так редко регистрируется. По словам Эното, его команда наблюдала несколько подобных событий, но то, которое описано в статье, является единственным подтвержденным.
Бабич также предсказал, что не все нейтроны, смещенные из азота с помощью гамма-луча, поглощаются. Некоторые из них вместо этого инициируют трансмутацию другого ядра азота в углерод-14, радиоактивный изотоп, который имеет на два нейтрона больше, чем обычный углерод. Период его полураспада 5730 лет. Этот изотоп – основа метода радиоизотопного датирования ископаемых останков. В умершем живом организме углерод-14 постепенно распадается, а стабильные изотопы углерода остаются без изменений. То есть соотношение изотопов изменяется с течением времени. Это позволило использовать данный изотоп для датирования биоматериалов и некоторых неорганических образцов возрастом до 60 000 лет. Наиболее часто используется в археологии, в ледниковой и постледниковой геологии.
Основным источником углерода-14 в атмосфере обычно считаются космические лучи. В принципе, молния также может способствовать его образованию. Но пока неясно, сколько из этого изотопа производится таким образом, говорит Эното, отчасти потому, что возможно, не все грозы инициируют фотоядерные реакции.
«Я согласен с их интерпретацией этих данных, - говорит физик Джозеф Дуайер из Университета Нью-Хэмпшира в Дареме, - Но, добавляет он, объяснение команды Эното не решает всех загадок, связанных с позитронами в атмосфере. В частности, фотоядерная реакция, видимо, не объясняет событие, которое Двайер наблюдал в 2009 году с исследовательского самолета. Его детектор заметил сигнатуру позитронов лишь на долю секунды - слишком короткую, чтобы произойти от ядерного распада, - говорит он. Кроме того, его детектор не показал начальной вспышки в этом случае.