Как устроены облака? Казалось бы, мы это знаем с пятого класса, а физикам надо работать на супер-коллайдерах, а не пробавляться "школьной ерундой". Между тем, в атмосфере Земли армянские ученые за последние 10 лет изучили и описали совершенно неожиданные явления.
Возглавляет эти исследования профессор Ашот Чилингарян, руководитель Центра исследования космических лучей в Национальной научной лаборатории имени А. Алиханяна (известной под старым названием – Ереванский институт физики, ЕрФИ). Здесь разработаны и производятся многочисленные детекторы элементарных частиц, измеряющие энергию и интенсивность их потоков.
Один из таких детекторов - измерительный модуль SEVAN, включающий сцинтилляционные счетчики, свинцовые поглотители, ядерную электронику и систему сбора и посылки данных в реальном времени. SEVAN-ы действуют не только в Армении, но и в Болгарии, Хорватии, Чехии и Словакии, в Индии, а несколько месяцев назад их установили в одном из крупнейших мировых центров физики – в DESY в Гамбурге и Берлине. Данные об изменяющихся потоках космических частиц поступают в Ереван для совместного анализа.
То холодно, то ЛЭПы отказывают
Многим из нас кажется, что Солнце всегда светило и будет светить, как обычно. На самом деле, на солнце то больше вспышек, то меньше. 400 лет назад на планете наступил малый ледниковый период, когда на европейских реках по полгода стоял лед. Это напрямую связано с Солнцем: тогда оно было очень спокойным, без вспышек и пятен - примерно как в последние 10 лет.
"Если мы не поймем, что это означает и к чему ведет, наши представления о климате останутся на уровне 400-летней давности. Шутка, но в каждой шутке есть доля правды", - подчеркнул Чилингарян.
С другой стороны, если вспышки будут слишком сильными, они могут порождать мощные индукционные токи в протяжённых проводниках. Были случаи, когда от этого сгорали трансформаторы высокого напряжения в линиях электропередач и целые провинции оказывались обесточенными.
Во время такой вспышки в 1856 году (вспышка Каррингтона), по всему миру загорелись телеграфные станции. Если бы такая вспышка повторилась сейчас, большинство электроники спутников вышло бы из строя.
Детекторы SEVAN могут регистрировать солнечные вспышки по косвенным признакам. При вспышке выбрасывается поток намагниченной плазмы, который перекрывает путь частицам космического излучения к Земле, и их поток уменьшается. По этому признаку можно судить о величине выброшенного сгустка солнечной плазмы и о силе ожидаемого космического шторма. Приборы регистрируют и "прямые" солнечные протоны, ускоренные во время вспышки. Они доходят до атмосферы Земли и сталкиваются с молекулами кислорода и азота. Это создает поток вторичных частиц, которые каскадом рассыпаются к Земле.
"Мы можем составлять подробные описания солнечных вспышек, потому что регистрируем их в частицах самых разных энергий. Поэтому наши приборы могут служить и для предупреждения, и для минимизации последствий космических бурь", - отмечает Чилингарян.
Разговор с облаками
Заряженные частицы есть и в облаках. Мало кто из физиков обращал на них внимание: всем казалось, что частицы низких энергий – это давно пройденный этап.
Между тем, до сих пор неясно, как появляется электрическое поле в облаках и как оно создает лавины электронов. Исследования на Арагаце помогли выяснить, что в облаках образуются противоположно заряженные слои (диполи), которые ускоряют электроны и к Земле, и от Земли, где их улавливают орбитальные гамма–обсерватории.
Для наблюдения направленных к Земле электромагнитных лавин очень удобной оказалась обсерватория ЕрФИ на горе Арагац. Здесь облака "садятся" прямо на высокогорную станцию, и детекторы могут вести измерения непосредственно внутри них.
"Мы ведем исследования различных аспектов космических лучей уже 75 лет, последние 10 лет занимаемся физикой высоких энергий в атмосфере и первыми в мире измерили и опубликовали энергетический спектр электронов в грозовых облаках, о которых писал лауреат Нобелевской премии Вильсон еще в 1920-е", - отмечает Чилингарян.
Кроме того, приземное электрическое поле способствует значительному увеличению гамма радиации от дочерних продуктов распада радона-222, который в больших количествах выделяется из скальных пород.
"Мы заметили, что заряженные аэрозоли (микроскопические частицы пыли, сажи, пыльцы и др.), притягивают атомы радона-222 и продукты его распада и поднимают их в атмосферу. Повышенная радиация регистрируется спектрометрами, находящимися на станции Арагац. Это явление мы первыми исследовали и описали", - рассказывает ученый.
Это важно и потому, что за содержанием радона в воздухе начинают пристально следить. Этот радиоактивный газ испускается при распаде урана в земной коре. Поскольку радон инертен, он не взаимодействует с другими веществами и сквозь грунт просачивается наверх, попадая в воду и воздух. Понимая, как он перемещается, можно следить за изменениями радиационного фона Земли. Это важно потому, что радон вызывает рак легких, поэтому в профилактических целях в США проводится мониторинг радона в жилых помещениях.
Глобальное электрическое поле Земли
Как возникает молния, оказывается, тоже до конца не известно. В школе нас учат, что в облаке, а также между облаком и землей, возникает разность потенциалов, а от нее - электрический удар. Но оказалось, что в естественных условиях молния начинает бить при разности потенциалов в 5-6 раз меньше, чем при экспериментах в лаборатории. Почему?
Оказывается, в облаках действуют процессы не только по электризации, но и по ускорению элементарных частиц. По сравнению с высокоэнергичными частицами первичных космических лучей энергии здесь небольшие (до 50-100 мегаэлектронвольт), но все же это дополнительный источник гамма-излучения, которых до сих пор оставался малоизученным, а теперь изучается армянскими физиками на Арагаце.
"Мы предположили, что когда из облака выбрасывается лавина заряженных частиц, она открывает "коридор", через который и бьет молния. Мы начали эту работу 5-6 лет назад, теперь такие исследования ведут и наши коллеги в США, Японии, и в Китае", - рассказывает Чилингарян.
Изучение этих процессов поможет понять, где могут образовываться молнии, где нужно ставить громоотводы и иные меры защиты. Но есть и другой, не менее важный вопрос. Молнии – это часть электрического поля Земли. Наша планета - это своего рода гигантская батарейка: Земля имеет отрицательный заряд, а ионосфера – положительный. Эта глобальная "электросеть" играет огромную роль для жизнедеятельности планеты, тоже до конца еще не изученную (это уже дело биологов и химиков).
Ослепшие степные орлы в гробовой тишине: как врач Аветик Бурназян защищал от радиации>>
Результаты работ ЕрФИ публикуются в ведущих мировых изданиях (только в журналах Американского физического общества за последние 10 лет опубликовано 15 работ) и докладываются на конференциях (например, в прошлом году армянские физики сделали семь докладов на заседании Американского геофизического союза). Теперь расширяется традиционное сотрудничество с Германией, где в прошлом году Чилингарян провел семинар по атмосферной физике высоких энергий.
"А совместно с российскими учеными из Национального Исследовательского ядерного университета "МИФИ", мы разрабатываем новые методы измерения атмосферного электрического поля. Поддерживаем традиционные связи и с другими российскими научными центрами", - добавил он.
Наконец, в самой Армении, как и в Арцахе, у института есть планы открыть станции по регистрации атмосферной радиации. В дальнейшем они могут стать основой для сетей радиационного предупреждения. Армения, как страна, имеющая атомную станцию и находящаяся в состоянии войны с соседней страной обязана иметь сеть быстрого радиационного оповещения.
