Грози збільшили випромінювання на вершині гори, що значно перевищувало фоновий рівень від космічного проміння. Спостереження включали електрони, що рухалися досить близько до швидкості світла, щоб враховувати релятивістські ефекти. Також були виявлені піки гамма-променів і нейтронів.
З моменту свого заснування Космічний екологічний центр на вершині гори Арагац у Вірменії фіксував тимчасові сплески радіації – в одному випадку вони досягали десятикратного перевищення фонового рівня. Хоча станція була створена для дослідження заряджених частинок від Сонця та інших астрономічних об’єктів, здавалося малоймовірним, що вони походять саме з цього джерела. Натомість, піки збігалися з грозами в цьому місці. Інші гірські обсерваторії космічних променів спостерігали ще різкіші піки, що досягали 100-кратного перевищення фонових рівнів, але не всі вони мали обладнання, здатне охопити весь спектр подій, що спостерігалися в Арагаці.
Особливо штормовий 2023 рік відзначився 56 такими подіями, які називаються грозовими наземними посиленнями (ГНП) – найбільше за всю історію спостережень на станції. Це змусило дослідників на станції провести детальне дослідження, яке підтвердило їхні підозри щодо фізики ТГП, а також виявило їхню силу та масштаби.
“ТГЕ ініціюються, коли електричне поле в грозових хмарах перевищує критичний поріг, прискорюючи вільні атмосферні електрони”, – пишуть автори. Космічні промені приходять у вигляді як заряджених частинок, таких як електрони, прискорених до дуже високих швидкостей в результаті зіткнення з астрономічними явищами, так і високоенергетичних фотонів, таких як гамма-промені. Звісно, об’єкт на горі Арагац має прилади для виявлення і тих, і інших, а також високошвидкісних нейтронів, які також можуть являти собою форму випромінювання з космосу. Виявилося, що всі три види випромінювання зазвичай з’являються разом.
Автори пояснюють, що коли електричні поля від штормів прискорюють електрони, вони можуть зіштовхуватися з іншими і створювати релятивістські лавини електронів, що втікають. Це призвело до того, що в одному з прикладів електронні детектори зафіксували 38 частинок на квадратний сантиметр (237 на квадратний дюйм).
Це ще не кінець історії, оскільки проходження цих високоенергетичних електронів через атмосферу може спричинити вивільнення фотонів, відомих як гальмівне гамма-випромінювання. Ці гамма-промені досить потужні, щоб взаємодіяти з атомними ядрами і стимулювати вивільнення нейтронів.
За словами авторів, ТГЕ є наслідком того, що шари всередині грозових хмар розвивають протилежні заряди, а також хмари заряджаються в протилежному напрямку до поверхні Землі. Різниця зарядів створює диполі електронів і позитронів. Це ті самі умови, які генерують удари блискавки, оскільки різниця зарядів досягає точки, між якими може проскочити іскра. Було виявлено, що блискавка припиняє ТГЕ, вирівнюючи заряди.
ТГЕ найбільш поширені пізніми весняними та літніми ночами, принаймні на горі Арагац. Поля на висоті 50 метрів (164 фути) над землею досягали напруженості 2100 вольт на сантиметр протягом двох хвилин і прискорювали електрони до такої міри, що деякі з них несли 60 мільйонів електрон-вольт кінетичної енергії.
Різноманітність обладнання на Арагаці та його широкий розподіл по території станції дозволили дослідникам визначити, що під час найбільших ТГС електричні поля простягаються на кілька квадратних кілометрів і досягають досить високих значень, щоб впливати на об’єм у кілька кубічних кілометрів. Під час літніх штормів поля були однаковими на всій території дослідної станції, але восени показники детекторів, розташованих на відстані кількох сотень метрів один від одного, значно відрізнялися.
Автори створили базу даних спостережень ТГЕ 2023 року з відкритим доступом, надаючи ресурс для тих, хто прагне глибше зануритися в ці події.
Дослідження опубліковане в журналі Physical Review D.
