Когда Бенджамин Франклин привязал ключ к воздушному змею и бросил его в грозу, он ненадолго стал прибором, подключенным к самому мощному генератору энергии на Земле.
Франклин знал, как и большинство людей, что грозы невероятно сильны. Исследователи попытались точно оценить как могущественный на протяжении более столетия, но всегда удавался - даже самые сложные бортовые датчики не отвечают требованиям, потому что грозовые тучи слишком велики и непредсказуемы для измерения.
Теперь, в статье, опубликованной 15 марта в журнале Physical Review Letters, исследователи из Ути, Индия, нашли новый шокирующий ответ - благодаря небольшой помощи некоторых космических лучей.
Используя массив датчиков, предназначенных для измерения электрических полей и напряженности мюонов - тяжелых частиц, которые постоянно падают из верхней атмосферы Земли и распадаются, проходя сквозь вещество - команда измерила напряжение большого грозового облака, которое перевернулось в Ути в течение 18 минут. 1 декабря 2014 года. Исследователи обнаружили, что в среднем облако заряжается примерно на 1,3 гигавольт, что в 1,3 раза 10 ^ 9 вольт - примерно в 10 миллионов раз больше напряжения, чем от обычной электрической розетки в Северная Америка.
«Это объясняет, почему грозовые тучи настолько разрушительны», - сказал соавтор исследования Сунил Гупта, исследователь космических лучей в Индийском институте фундаментальных исследований Tata, в интервью журналу Live Science. «Если вы рассеиваете это огромное количество энергии через что-либо, это приведет к серьезным разрушениям».
Идет дождь мюонов
Гупта и его коллеги в основном изучают мюоны - электроноподобные частицы, которые создаются, когда космические лучи сталкиваются с различными атомами в атмосфере Земли. Эти частицы имеют примерно половину вращения электронов, но в 200 раз больше веса, и очень хорошо проникают в вещество. Дождливый мюон из атмосферы может путешествовать вглубь океана или миль под землей всего за доли секунды, если у него достаточно энергии.
Мюоны теряют свою энергию, когда что-то мешает им, например, пирамиде. В начале 2018 года ученые обнаружили две неизвестные ранее камеры внутри Великой пирамиды в Гизе, установив мюонные детекторы вокруг структуры и измерив, где частицы теряли (и не теряли) энергию. Мюоны, проходящие через каменные стены пирамиды, теряли больше энергии, чем мюоны, проходящие через большие пустые камеры. Результаты позволили исследователям создать новую карту интерьера пирамиды, не ступая внутрь нее.
Гупта и его коллеги использовали аналогичный метод для отображения энергии внутри грозового облака Ути. Однако вместо того, чтобы бороться с камнем, мюоны, падающие через облако, сталкивались с турбулентным электрическим полем.
«Грозы имеют положительно заряженный слой сверху и отрицательно заряженный слой снизу», - сказал Гупта. «Если положительно заряженный мюон попадет в облако во время дождя из верхней атмосферы, он будет отталкиваться и терять энергию».
Используя массив детекторов мюонов и четыре монитора электрического поля, распределенных по нескольким милям, исследователи измерили среднее падение энергии между мюонами, прошедшими через грозовое облако, и теми, которые не прошли через него. По этой потере энергии команда смогла рассчитать, какой электрический потенциал частицы прошли в грозовом облаке.
Это было массивно.
«Ученые подсчитали, что грозовые облака могут иметь потенциал гигавольт в 1920-х годах, - сказал Гупта, - но это никогда не было доказано - до сих пор».
Отображение грома
Как только исследователи узнали электрический потенциал облака, они захотели сделать еще один шаг и точно измерить, сколько энергии несло грозовое облако, когда оно пронеслось над Ути.
Используя данные своих широко рассредоточенных мониторов электрического поля, команда заполнила некоторые важные подробности об облаке - оно движется со скоростью примерно 40 миль в час (60 км / ч) на высоте 7 миль (11,4 км) над уровнем моря, его предполагаемая площадь составляла 146 квадратных миль (380 квадратных километров, площадь, примерно в шесть раз превышающая размеры Манхэттена), и достигла своего максимального электрического потенциала всего через 6 минут после появления.
Вооружившись этими знаниями, исследователи наконец смогли подсчитать, что гроза несет около 2 гигаватт энергии, что делает это единственное облако более мощным, чем самые мощные атомные электростанции в мире, сказал Гупта.
«Количество энергии, хранимой здесь, достаточно для обеспечения всех потребностей города, такого как Нью-Йорк, в течение 26 минут», - сказал Гупта. "Если Вы могли бы использовать это. "
Гупта отметил, что при нынешней технологии это маловероятная перспектива: количество энергии, рассеиваемой такой бурей, настолько велико, что, вероятно, расплавит любой проводник.
Тем не менее, чрезвычайно сильный потенциал гроз может помочь разгадать космическую тайну, которую такие ученые, как Гупта и его коллеги, задавали на протяжении десятилетий: почему спутники иногда обнаруживают высокоэнергетические гамма-лучи, вылетающие из атмосферы Земли, когда они должны падать из космоса? ?
Согласно Гупте, если грозы действительно могут создавать электрический потенциал, превышающий один гигавольт, они также могут ускорять электроны достаточно быстро, чтобы разорвать другие атомы в атмосфере, создавая гамма-вспышки.
Это объяснение требует дополнительных исследований, чтобы проверить его точность, сказал Гупта. В то же время, обязательно удивляйтесь следующему грозовому облаку, которое вы видите, потому что это непостижимо могучая сила природы - и, пожалуйста, дважды подумайте, прежде чем летать на воздушном змее.
