Грозовое облако мощнее самых мощных атомных станций на Земле

Грозовое облако — это непостижимо могущественная сила природы

Одно грозовое облако несёт 1 миллиард вольт электричества. Грозы невероятно сильны.

На протяжении столетия, исследователи пытались оценить, насколько мощными являются грозовые облака, но всегда терпели неудачу — даже самые сложные бортовые датчики недостаточны для измерений, потому что грозовые тучи слишком велики и непредсказуемы.

Теперь, исследователи из Ути (Индия) нашли помощника в виде некоторых космических лучей.  Используя массив датчиков, предназначенных для измерения электрических полей и напряжённости мюонов (тяжёлых частиц, которые постоянно падают из верхней атмосферы Земли),  команда измеряла напряжение грозового облака в течение 18 минут. Исследователи обнаружили, что в среднем облако заряжается примерно на 1,3 гигавольт, что примерно в 10 миллионов раз больше напряжения обычной электрической розетки.

«Вот почему грозовые тучи настолько разрушительны»  — сказал Сунил Гупта, исследователь космических лучей в Индийском институте фундаментальных исследований Tata. «Если  рассеять это огромное количество энергии через что-либо, это приведёт к серьёзным разрушениям ».

Дождь мюонов

Команда Гупта изучает мюоны — электроноподобные частицы, которые создаются, когда космические лучи сталкиваются с различными атомами в атмосфере Земли. Мюоны имеют примерно половину вращения электронов, но в 200 раз больше весом, и очень хорошо проникают в вещество. Дождь мюонов  может из атмосферы проникнуть вглубь океана и на километры под землю всего за долю секунды — у него для этого достаточно энергии.

Мюоны теряют свою энергию, когда что-то мешает им, например, пирамида. В начале 2018 года учёные обнаружили две неизвестные ранее камеры внутри Великой пирамиды в Гизе, установив мюонные детекторы вокруг структуры и измерив, где частицы теряли (и где не теряли) энергию. Мюоны, проходящие через каменные стены пирамиды, теряли больше энергии, чем мюоны, проходящие через большие пустые камеры. Результаты позволили   создать новую карту интерьера пирамиды, не ступая внутрь неё.

Гупта использовал аналогичный метод для картирования энергии внутри грозового облака.  Мюоны, идущие через облако, столкнулись с турбулентным электрическим полем. Грозы имеют положительно заряженный слой сверху и отрицательно заряженный слой снизу. Если положительно заряженный мюон попадёт в облако во время дождя из верхней атмосферы, он будет отталкиваться и терять энергию.

Используя массив детекторов мюонов и четыре монитора электрического поля, распределённых по нескольким милям, исследователи измерили среднее падение энергии между мюонами, прошедшими через грозовое облако, и теми, которые не прошли через него. Из этой потери энергии команда смогла рассчитать, какой электрический потенциал частиц прошли в грозовом облаке.

Это было массивно. Учёные подсчитали, что грозовые облака могут иметь потенциал гигавольт.

Отображение грома

Чтобы точно узнать электрический потенциал облака,  сколько энергии оно несёт, исследователи использовали данные своих широко рассредоточенных мониторов электрического поля. Команда выяснила некоторые важные подробности об облаке — оно движется со скоростью примерно  60 км/ч на высоте 11,4 км над уровнем моря, его предполагаемая площадь составила 380 квадратных километров (площадь примерно в 6 раз превышает размеры Манхэттена), и достигает своего максимального электрического потенциала всего через 6 минут после появления.

Вооружившись этим знанием, учёные, наконец, смогли вычислить, что грозовой потенциал имеет 2 гигаватт мощности. Это означает, что облако оказалось более мощным, чем любая самая мощная атомная электростанция в мире.

Количества энергии, хранимого в грозовом облаке, достаточно для обеспечения всех потребностей города, такого как Нью-Йорк, на 26 часов, если бы мы смогли это использовать. При нынешней технологии это маловероятная перспектива: количество энергии, рассеиваемой бурей, настолько велико, что расплавит любой проводник.

Тем не менее, чрезвычайно сильный потенциал гроз поможет разгадать космическую тайну: почему спутники иногда обнаруживают высокоэнергетические гамма-лучи, как они падают из космос из атмосферы Земли?

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.