Група GRAPES-3 виміряла максимальний перепад потенціалів між верхньою і нижньою частиною грозової хмари і отримала рекордне високе значення 1,3 мільярда вольт, яке, тим не менш, відмінно узгоджується з теоретичними оцінками. Для цього вчені стежили за коливання потоку мюонів, які реєстрував телескоп G3MT, і порівнювали їх з чисельною моделлю грозової хмари. Стаття опублікована в, коротко про неї повідомляє.
У 20-х роках минулого століття Чарльз Вільсон (Charles Wilson) виявив, що блискавки виникають через об'ємне розділення заряду грозових хмар, що створює сильне електричне поле. Стандартний механізм, який пояснює подібний поділ, виглядає наступним чином: Оскільки Земля в цілому заряджена негативно, біля її поверхні виникає постійне електричне поле напруженістю близько 130 вольт на метр. Це електричне поле поляризує крупинки граду, які утворюються під час грози, і змушує їх передавати невеликий негативний заряд при зіткненнях з переохолодженими краплями води. Після цього краплі підхоплюються висхідними потоками повітря, а градинки продовжують падати під дією сили тяжкості. В результаті заряд грозової хмари розділяється, немов у плоскому конденсаторі. У свою чергу, це створює сильне вертикальне електричне поле, ще сильніше поляризує градини і прискорює процес поділу зарядів. Таким чином, напруженість електричного поля в грозовій хмарі швидко зростає, поки не досягає порогу електричного пробою повітря. У цей момент хмара пронизує блискавка.
Щоб виміряти електричні поля грози і перевірити цю теорію, фізики запускають у хмари літаки і метеорологічні зонди. Подібні досліди показали, що різність потенціалів між «дном» і «верхівкою» хмари перевищує десятки мільйонів вольт. Зокрема, в ході грози 1990 року в Нью-Мексико вчені отримали значення близько 130 мільйонів вольт, яке в даний час є рекордним. Втім, навіть такі високі різниці потенціалів не дотягують до теоретичної оцінки, яка перевищує мільярд вольт для хмар товщиною кілька кілометрів. Крім того, на високі потенціали побічно вказує гамма-випромінювання гроз: у 2011 році супутник AGILE зареєстрував гамма-кванти з енергією сто мегаелектронвольт, які не могли народитися при різниці потенціалів близько ста мільйонів вольт. Виходить, що вимірювання за допомогою метеорологічних зондів дають неправильні результати. Тому вчені намагаються виміряти різницю потенціалів у грозовій хмарі незалежним способом.
Група GRAPES-3 придумала такий спосіб: для цього фізики запропонували використовувати мюони, які народжуються в атмосферних зливах космічних променів. В основі цього методу лежить той факт, що під дією електричного поля грози мюони - заряджені частинки - відхиляються, а їх спостережуваний потік змінюється в часі і просторі. Отже, якщо досить точно виміряти подібні коливання, за допомогою численних розрахунків можна відновити приблизну картину електричних полів грозової хмари.
Мюонний телескоп G3MT, яким володіє група GRAPES-3, дозволяє провести подібні вимірювання. Цей прилад встановлено в Утакаманді (Індія) на висоті 2200 метрів над рівнем моря. Щохвилини він реєструє понад 2,5 мільйона мюонів, які прилітають зі 169 напрямків, розташованих у тілесному вугіллі близько 2,3 стерадіан. Таким чином, G3MT може виміряти середній потік мюонів, що пройшли крізь грозову хмару, з похибкою близько 0,1 відсотка. Крім того, похибка, з якою телескоп вимірює напрямок руху мюона, не перевищує чотирьох градусів. Нарешті, вчені доповнили мюонний телескоп моніторами електричного поля, щоб більш точно відстежувати тимчасові зміни електричного поля грозової хмари.
Щоб спростити обчислення, вчені наблизили грозову хмару плоским конденсатором, обкладки якого паралельні поверхні Землі. Звичайно, розподіл зарядів у справжній хмарі набагато складніший, проте таке наближення якісно вхоплює процеси, що відбуваються, і дозволяє оцінити перепаду потенціалів у хмарі. Всього фізики розглянули три варіанти товщини і положення хмар. У перших двох варіантах верхня межа хмари перебувала на висоті десять кілометрів, а її товщина становила два або вісім кілометрів. У третьому варіанті хмара простягалася з десяти до двадцяти кілометрів у висоту. Варто зазначити, що найбільш реалістичною є перша конфігурація, яка найкраще наближає параметри реальної грозової хмари. Для всіх трьох конфігурацій вчені чисельно розрахували очікуваний потік мюонів за допомогою методу Монте-Карло (пакет CORSIKA), доповненого моделями взаємодії частинок високих енергій (пакети FLUKA і SYBILL). У перших двох випадках результати практично не відрізнялися. У третьому випадку вчені отримали потік приблизно на 15 відсотків менше. Тому вчені оцінювали перепад потенціалів у хмарі за допомогою перших двох моделей, які давали більш консервативні оцінки.
Всього фізики зібрали дані по 184 грозах, що відбулися в період між 2011 і 2014 роком, і виділили серед них сім найбільш великих подій. На жаль, коливання потоку мюонів у шести випадках мали складний часовий профіль, який не дозволяв відновити перепади потенціалів за допомогою простої моделі. Однак для останньої грози, яка сталася першого грудня 2014 року і тривала близько 18 хвилин, вчені все-таки змогли провести численні розрахунки і отримати значення потоку, які збігалися з даними спостережень. У результаті вченим вдалося відстежити дрейф грозової хмари, через яку зміщувався «провал» у потоці мюонів, і оцінити піковий перепад потенціалів у хмарі. Згідно з цією оцінкою, перепад перевищує 1,3 мільярда вольт. Це в десять разів перевищує значення, отримані за допомогою метеозондів.
У 2015 році фізики з Лос-Аламоскої національної лабораторії в США придумали, як за допомогою космічних мюонів можна дослідити внутрішню структуру будівель і механізмів (точніше, вчені придумали, як збільшити дозвіл картинок і швидкість їх побудови). Власне, запропонований метод не відрізняється від комп'ютерної томографії, в якій рентгенівські промені замінили мюонами. У січні 2016 року археологи «заглянули» за допомогою нового методу всередину Ломаної піраміди в Єгипті, а в листопаді 2017 року мюони знайшли «таємну кімнату» в піраміді Хеопса. Детально про практичні застосування мюонів розповідає матеріал «Ті, що впали з неба». А прочитати, як побудувати детектор в домашніх умовах і побачити мюони на власні очі, можна в блозі Володимира Корольова.
Через високі напруги грози часто називають «природними прискорювачами елементарних частинок». Енергія гальмівного випромінювання електронів, розігнаних у такому «прискорювачі», настільки велика, що може запустити фотоядерні реакції. Принаймні, так передбачали розрахунки теоретиків. Тим не менш, на практиці сліди фотоядерних реакцій, що протікають під час грози, вперше вдалося виміряти всього два роки тому: під час грози 6 лютого 2017 року японські фізики зареєстрували післясвічення від аннігіляції електрон-позитронних пар, яке було б неможливим без рідкісних радіоактивних ізотопів.