Молния преподнесла новые сюрпризы

Недавно отечественные физики из Физического института им. П.Н. Лебедева (ФИАН) обнаружили один интересный эффект, сопровождающий грозовые разряды.

Оказывается, молния вызывает появление большого количества свободных нейтронов. Пока ученые не нашли объяснения данному феномену. Но это может говорить о том, что при грозе идут термоядерные реакции.

Следует заметить, что данные о том, что при разрядах молний появляются свободные нейтроны, были получены еще в прошлом веке. В 1985 году отечественные физики обнаружили, что нейтронные детекторы отмечают появление этих частиц во время грозы. Однако до сих пор этим сообщениям не придавали особенного значения. И вот почему.

Во-первых, сами исследователи из Физического института им. П.Н. Лебедева (он же знаменитый ФИАН), открывшие данный феномен, не были уверены в том, что оба явления взаимосвязаны. Дело в том, что до последнего времени институт не обладал такими детекторами, которые могли бы точно определить количество образующихся при разрядах молнии нейтронов. Ну, а без этих данных ничего утверждать наверняка было нельзя.

С другой стороны, подобные заявления весьма скептически восприняли другие ученые, занимающиеся исследованием молний. Сказалось и то, что в конце прошлого века была весьма популярной теория о том, что молнии являются мюонными "стоками".

Коротко ее можно изложить следующим образом. Как известно, для того, чтобы образовалась молния, нужна лавина высокоскоростных электронов. Было высказано предположение, что исходный толчок к ее образованию дают космические лучи, содержащие родственные электронам частицы мюоны. Далее электронные лавины преобразуются в нитевидные разряды (стримеры) представляющие собой проводящие каналы, состоящие из ионизированного газа. Потом стримеры сливаются, и получается яркий термоионизированный канал с высокой проводимостью (ступенчатый лидер). Именно по этому лидеру начинается движение разряда к поверхности Земли.

Так вот, согласно этой теории, каналы молний могут служить своеобразными "стоками" мюонов, по которым они путешествуют в земной атмосфере. И приверженцы этой гипотезы посчитали, что в данном случае исследователи просто приняли их за нейтроны. У этих частиц близкие значения массы, да и живут они примерно одинаковое время. Хотя в отличие от нейтрона мюон, как и электрон, несет отрицательный заряд.

Другой попыткой объяснить это явление было предположение о том, что ученые из ФИАН просто наблюдали фотоядерную реакцию (долгое время считалось, что только они в природе могут вызвать появление свободных нейтронов). Напомню, что фотоядерной реакцией называется процесс поглощения гамма-квантов (то есть фотонов с высокой энергией) ядрами атомов. В результате из ядер могут "вышибаться" нуклоны — частицы, входящие в их состав.

Соответственно, приверженцы данной версии считали, что физикам просто удалось зарегистрировать следы сопровождающих разряд тех самых фотоядерных реакций. Подтвердить или опровергнуть это предположение исследователи тогда не были способны — ведь они не могли сказать, какое количество нейтронов "поймал" детектор. Однако, за неимением другой версии, физики долгое время придерживались этой.

Но вот недавно физикам из ФИАН удалось доказать, что тут дело вовсе не в фотоядерных реакциях. Перед этим они произвели серию экспериментов. В них было задействовано три детектора нейтронов: один — на поверхности, другой (частично экранированный) был в здании, а третий (сильно экранированный) вообще находился под землей. К последнему в пару поставили еще один детектор, улавливающий нейтроны высоких энергий. Параллельно велись измерения электрической активности молний, полыхавших снаружи.

В итоге, сравнив данные со всех приборов, ученые установили точное количество частиц. И это число было огромным — временами физики "ловили" около 5 тысяч нейтронов на кубический метр в секунду. Логично предположить, что один разряд молнии создает несколько миллионов нейтронов. Это говорит о том, что фотоядерные реакции здесь не при чем.

Исследователи утверждают, что для того, чтобы вызвать такой эффект при фотоядерной реакции, молнии пришлось бы испустить не менее 10 миллионов гамма-квантов на тот же кубометр в секунду. А измерение электрической активности показало, что "стрелы Зевса" производят их в тысячу раз меньше. Кроме того, если бы молнии действительно создавали такое количество высокоскоростных фотонов, то каждая гроза сопровождалась бы таким мощным гамма-излучением, что техника и живые существа его сразу бы "заметили" (ибо данное излучение отрицательно воздействует на здоровье и нарушает нормальную работу приборов).

Но как же объяснить данный феномен? Увы, физики пока не могут этого сделать. Результаты исследований породили два предположения: либо в молнии протекают сверхкороткие процессы неизвестного характера, которые создают интенсивное гамма-излучение, либо фотоядерные реакции идут совсем не так, как это себе представляют ученые мужи.

Кроме того, обнаружился еще один интересный момент. Логично предположить, что при атаке гамма-квантов нейтроны выбиваются в основном из азота кислорода (поскольку это два самых распространенных в атмосфере газа). Но ведь давно известно, что фотоядерные реакции с выбиванием нейтронов из атомов веществ с атомным весом ниже железа носят эндотермический характер (то есть в процессе их протекания поглощается энергия в виде тепла). А что касается вышеупомянутой атмосферной "сладкой парочки", то им этой энергии нужно особенно много — иначе нейтрон не сможет покинуть свой "родной" атом.

Возникает вопрос — откуда эта энергия берется? Эксперименты сотрудников ФИАН показали, что в процессе возникновения молнии такого количества энергии не возникает. Следовательно, ее источник находиться где-то в другом месте.

И здесь на память сразу же приходит уже основательно забытая гипотеза шотландского физика Чарльза Вильсона о том, что в канале молнии могут образоваться условия, достаточные для начала термоядерной реакции с участием обычного дейтерия, содержащегося в парах воды. Конечной стадией этой реакции является образование изотопа He3 и нейтрона. Однако в дальнейшем гелий вступает в другие реакции (ничего удивительного в этом нет, поскольку речь идет о плазме — а там даже благородные газы становятся активными), поэтому обнаружить его практически невозможно. Нейтрон же хорошо улавливается нейтронным детектором. Ну и, конечно же, выделившейся при термоядерном синтезе энергии с лихвой хватит на то, что бы осуществить фотоядерную реакцию с атомами азота и кислорода (в результате чего опять-таки образуются нейтроны).

Версия вроде бы выглядит логичной, однако и тут есть одно слабое место. Дело в том, что, согласно многочисленным измерениям, энергия молнии значительно меньше той, что подается в экспериментальные установки термоядерного синтеза. Хотя, возможно, в канале молнии существуют какие-то особые условия (коих нет в установках), позволяющие запускать эту реакцию при более низких значениях энергии.

Одним словом, работы у физиков ФИАН еще очень и очень много. Сейчас они хотят создать модель, которая смогла бы объяснить результаты их экспериментов. А потом проверить их несколько раз. И если версия Вильсона окажется правильной, то, возможно, молнии смогут помочь человечеству в обуздании термоядерного синтеза и использовании его для получения энергии.