Магнитное поле Земли влияет на обнаружение гроз

Фото из открытых источников

Космические лучи позволяют телескопу считывать грозовые явления с поверхности Земли, а магнитное поле Земли объясняет, почему она наблюдает гораздо больше штормов на востоке. Результаты исследования были опубликованы в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.

Измерение электричества внутри грозового облака обычно означает отправку в него воздушного шара, ракеты или самолета. Частицы из космоса уже проходят через каждое грозовое облако на планете, и телескоп в южной Индии годами подсчитывает их с земли. Он зафиксировал почти в шесть раз больше грозовых облаков к востоку от себя, чем к западу, однако сами грозы вовсе не были асимметричными. 

Новое исследование связывает разницу с особенностями телескопа, а не с погодой. Магнитное поле Земли определяет, какие частицы достигают прибора, что делает его более чувствительным к грозам на восточной стороне планеты. Результат подтверждает целесообразность измерения напряжения во время гроз с помощью частиц, выпадающих каждую секунду.

Работу возглавили физики из Института фундаментальных исследований Тата в Мумбаи, а партнерами по проекту выступили Институт исследований космической и земной среды Нагойского университета и Университет Тюбу в Японии. Их объяснение основано на компьютерном моделировании, проверенном на основе данных о штормах за десять лет.

Космические лучи — это быстрые частицы из глубокого космоса, в основном протоны, несущие положительный заряд. При столкновении с верхними слоями атмосферы они вызывают ливень новых частиц. Среди них — мюоны, более тяжелые аналоги электрона, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света.

Телескоп GRAPES-3 расположен на высоте около 2200 метров в холмистой местности в городе Ути. Его детекторы занимают площадь около 560 квадратных метров под толстым слоем бетона и регистрируют около четырех миллиардов мюонов в день.

Положительных мюонов больше, чем отрицательных, и именно этот дисбаланс позволяет телескопу зафиксировать шторм.

В большинстве грозовых облаков вблизи вершины накапливается положительный заряд, и это электрическое поле замедляет положительные мюоны, одновременно ускоряя отрицательные. Если бы оба типа мюонов прибывали в равном количестве, эффекты бы компенсировали друг друга. Поскольку положительные мюоны встречаются чаще, заряженная гроза над головой приводит к небольшому снижению общего числа мюонов.

«Мюоны — это идеальный материал для проведения подобных исследований, — сказал Сунил Гупта из Института Тата. — Они подобны электрическому току, протекающему через атмосферу».

В период с апреля 2011 года по декабрь 2020 года телескоп зафиксировал 487 бурь, каждая из которых представляла собой снижение или повышение количества мюонов более чем на 0,3%. Около 81,5% из них наблюдались в восточной части поля зрения, и только 13,7% — с запада.

Погода не объясняла этот разрыв. Четыре наземных датчика, называемые электрическими полевыми мельницами, расположенные на расстоянии до 6 километров друг от друга, отслеживают проходящие облака. За то же десятилетие они зафиксировали 848 эпизодов штормов, движущихся на запад, и 712 — на восток. Если уж говорить об этом, то штормов, движущихся на запад, было немного больше.

Гупта отмечает, что грозы образуются случайным образом, длятся десятки минут и разряжаются за десятки микросекунд.

Б. Харихаран из Института Тата, первый автор исследования, добавил, что воздушный шар или ракета отбирают пробы воздуха только вокруг себя, максимум в течение нескольких часов. Телескоп, добавил Гупта, круглосуточно наблюдал за небом площадью около 1200 квадратных километров в течение 15 лет.

«Если кто-то хочет изучить явление, происходящее со скоростью света, то следует использовать зонд, выполняющий измерения со скоростью света», — говорит Гупта.

В 1930-х годах физики обнаружили, что с запада приходит больше космических лучей, чем с востока, потому что магнитное поле искривляет заряженные частицы на их пути. Гупта пишет, что на первый взгляд картина магнитных бурь казалась обратной, поскольку на стороне с меньшим количеством космических лучей наблюдалось больше бурь.

Это также объясняется магнитным полем. Оно отфильтровывает больше более слабых положительных частиц, прибывающих с востока, и продолжает искривлять потоки частиц, которые они вызывают в воздухе. Когда команда смоделировала эти потоки для местоположения Ооти, смесь мюонов оказалась несбалансированной.

При наблюдении с востока, согласно результатам моделирования, на каждый отрицательный мюон приходилось примерно 1,37 положительных мюонов. При наблюдении с запада эта оценка составила около 1,14.

Больший избыток положительных мюонов означает, что буря вызывает большее падение их количества, поэтому восточные бури гораздо чаще преодолевают отметку в 0,3%. Восточные бури не более мощные. Просто телескоп лучше их видит.

Чтобы проверить эту идею, команда провела моделирование штормов, используя диапазон напряжений, фактически измеренных телескопом. При реальном распределении мюонов с востока на запад, смоделированный телескоп зафиксировал примерно в пять раз больше штормов на востоке, что близко к шестикратному разрыву в реальных данных.

Затем исследователи задали одинаковое количество мюонов во всех направлениях, и разрыв между востоком и западом исчез. Харихаран рассказал, что их моделирование показало, что телескоп вообще не будет чувствителен к грозам, если положительные и отрицательные мюоны будут поступать в равном количестве.

Все семь наборов физических моделей показали одинаковую картину распределения мюонов в направлении восток-запад. Эти варианты сместили распределение мюонов примерно на 7%, а расчетные значения напряжения магнитных бурь — примерно на 14%, но каждая версия склонялась в сторону востока.

Одна часть этой закономерности до сих пор не имеет объяснения. Штормы сгруппировались в четырех диагональных направлениях, видимых телескопом, в то время как при наблюдении прямо сверху их почти не было. Команда назвала смешение мюонов одним из факторов, но написала, что точная причина до сих пор не выяснена.

Еще одним ограничением является перекрытие грозовых штормов. Когда несколько штормов приходят одновременно, показания электрического поля настолько переплетаются, что определить высоту и напряжение каждого шторма становится практически невозможно, пишут исследователи.

«Этот прибор был создан не для изучения грозовых облаков, а для измерения направления мюонов, чего не удавалось ни одному другому крупному прибору», — отмечает Гупта.

Далее, как написал Харихаран, команда хочет изучить момент разряда молнии во время грозы, разряд, который обычно длится менее секунды. По словам Гупты, уже известно, что такие разряды производят антиматерию, и группа надеется оценить, в каком количестве.