觀測顯示，大型熱帶雷暴中產生的伽馬輻射數量和種類令人驚訝

1990 年代，美國太空總署 (NASA) 為觀測來自超新星和其他天體大小的高能量粒子而建造的衛星意外地發現了來自地球上的高能量伽馬輻射爆發。

雖然研究人員沒多久就發現這些放射性超荷電粒子來自雷暴，但這種現象發生的普遍程度仍然是個謎。人造衛星不是為了尋找來自地球，他們必須在正確的時間出現在正確的地點才能做到這一點。

經過多年使用不適合這項任務的平台後，一群科學家獲得了駕駛改裝 U2 的機會美國國家航空暨太空總署 (NASA) 在風暴中擁有的，可以好好看看。在兩篇新論文中發表在自然研究團隊發現，雷暴中產生的伽瑪輻射比任何人想像的都要普遍，而且產生輻射的動力學蘊藏著許多尚未解開的謎團。

「雷暴中發生的事情比我們想像的要多得多，」杜克大學威廉·H·楊格傑出工程教授、這兩篇論文的合著者史蒂夫·卡默說。 “事實證明，基本上所有大型雷暴都會全天產生多種不同形式的伽馬射線。”

雷暴如何產生高能量伽瑪輻射閃光背後的一般物理學原理並不神秘。隨著雷暴的發展，旋轉氣流驅動，冰雹和冰混合成混合物，形成就像在襯衫上擦氣球一樣。

帶正電的粒子最終到達風暴的頂部，而帶負電的粒子則落到底部，從而產生一個巨大的電場，其強度相當於一億節首尾相連的 AA 電池。

當其他帶電粒子（例如電子）發現自己處於如此強的場中時，它們就會加速。如果它們加速到足夠高的速度並碰巧撞擊空氣分子，它們就會擊落更多的高能量電子。這個過程級聯，直到碰撞有足夠的能量來產生，產生極強且極快的伽馬射線、反物質和其他形式的輻射閃光。

但這並不是雷暴伽馬輻射故事的結束。飛近雷暴的飛機也看到雲層發出微弱的伽瑪輻射。這些風暴似乎有足夠的能量來產生低水平的伽馬輻射，但有某種東西阻止它產生像爆裂的玉米粒一樣的爆炸。

卡默說：“一些飛機活動試圖弄清楚這些現像是否常見，但結果好壞參半，而且在美國上空進行的幾次活動根本沒有發現任何伽馬輻射。” “這個項目旨在一勞永逸地解決這些問題。”

研究團隊獲得了 NASA ER-2 高空機載科學飛機的使用權。冷戰遺留下來的改裝U2間諜機，飛行高度是美國的兩倍比大多數雷暴高出約三英里。它的速度也非常快，使團隊有機會選擇他們認為最有可能產生結果的確切雷暴。

「ER-2 飛機將成為終極觀測平台來自雷雨雲的伽馬射線”，挪威卑爾根大學太空物理學教授兼該計畫的首席研究員 Nikolai Østgaard 說。 “飛行高度為 20 公里（12.4 英里），我們可以直接飛越雲頂，盡可能接近伽馬射線。

因為 ER-2 是完美的解決方案，而且團隊將飛越正確的風暴，研究人員認為，如果這些現像很少見，那麼他們幾乎看不到任何現象。但如果它們很常見，那麼他們就會看到很多。

他們看到了很多。

在一個月的時間裡，ER-2 在佛羅裡達州南部熱帶地區的大型風暴上空飛行了 10 次，其中 9 次觀測到了今年夏天的伽馬輻射，其動態也比預期的要強。

該大學物理與技術教授馬蒂諾·馬裡薩爾迪（Martino Marisaldi）表示：「伽馬發光雷雨雲的動力學與以前的準靜止輝光圖像完全相反，並且在模式和行為上都類似於一個巨大的伽瑪發光沸騰鍋。

考慮到熱帶地區典型雷暴的規模遠大於其他緯度地區的雷暴，這表明熱帶地區一半以上的雷暴具有放射性。研究人員推測，這種低水平的伽馬輻射產生就像一鍋水沸騰的蒸汽一樣，限制了內部可以累積的能量。

研究人員同樣興奮地看到許多來自同一雷暴的短暫持續時間和強烈伽馬輻射爆發的例子。其中一些與美國宇航局衛星最初檢測到的完全相同。這些幾乎總是與主動閃電放電一起發生。

這表明閃電產生的大電場可能會對已經高能量的電子進行增壓，使它們能夠產生高能量核反應。

但至少還有兩種其他類型的短伽馬輻射爆發是以前從未見過的。一種類型非常短，不到千分之一秒，而另一種類型是由大約 10 個單獨的突發組成的序列，這些突發在大約十分之一秒的時間內重複。

「我發現這兩種新形式的伽馬輻射是最有趣的，」卡默說。 “它們似乎與閃電的形成無關。它們以某種方式自發出現。數據中暗示它們實際上可能與引發閃電的過程有關，這對科學家來說仍然是一個謎。”

卡默補充說，如果有人擔心被伽馬輻射變成綠巨人，他們不應該擔心。只有當人或物體非常接近輻射源時，所產生的輻射量才會產生危險。

「如果你發現自己在那裡，輻射將是最不重要的問題。飛機避免在活躍狀態下飛行卡默說：“由於極端的湍流和風，核心發生了變化。即使知道我們現在所知道的情況，我也不比以前更擔心飛行了。”