Κατανοώντας τον Κεραυνό:Η Επιστήμη πίσω από τις Ισχυρές Καταιγίδες της Γης

Πριν αλλάξει τον τρόπο με τον οποίο κατανοούμε τους κεραυνούς στη Γη, ο Joseph Dwyer μελέτησε τον καιρό σε πιο κοσμικές ρυθμίσεις. Χρησιμοποιώντας τους αισθητήρες στον δορυφόρο Wind της NASA, σε τροχιά ένα εκατομμύριο μίλια μακριά, παρακολούθησε εκλάμψεις να εκτοξεύονται από τον ήλιο και ανέλυσε τα σωματίδια που ρέουν από την επιφάνεια του ήλιου. Αλλά όταν μετακόμισε στη Φλόριντα γύρω στα τέλη της χιλιετίας, ο Dwyer ένιωσε έτοιμος για κάτι νέο - κάτι που θα μπορούσαν να ερευνήσουν μόνοι τους ο ίδιος και οι μαθητές του. Δεν πέρασε πολύς καιρός πριν ο τροπικός καιρός έφερε ένα κατάλληλο μυστήριο έξω από το παράθυρο του γραφείου του. «Ήταν σαν μπουμ, μπουμ, μπουμ έξω», είπε ο Dwyer. "Το κοίταξα και συνειδητοποίησα ότι ο κεραυνός ήταν ένα άλυτο πρόβλημα."

Οι καταιγίδες έχουν αιχμαλωτίσει την ανθρωπότητα για χιλιετίες, και ωστόσο η εσωτερική τους λειτουργία παραμένει βαθιά μυστηριώδης. Τα σύννεφα καταιγίδας είναι αδιαφανή. Είναι επικίνδυνο να πλησιάσουν. Και είναι πολύ μεγάλα για να χωρέσουν σε εργαστήριο. Οι περίεργοι ερευνητές τους στέλνουν χαρταετούς, μπαλόνια και ρουκέτες για σχεδόν τρεις αιώνες και έχουν μάθει πολλά. Αλλά κάθε φορά που οι λάτρεις των κεραυνών πλησιάζουν περισσότερο τη δράση, ανακαλύπτουν μεγάλα κενά στην κατανόησή τους. Τα τελευταία 50 χρόνια, οι ερευνητές έχουν επικεντρωθεί σε ένα συγκεκριμένο κενό:Πώς ξεκινά το οδοντωτό κανάλι λευκού-καυτού αέρα που ονομάζουμε κεραυνό;

Πρόσφατα, το πεδίο γνώρισε ένα είδος αναγέννησης καθώς ερευνητές - πολλοί από τους οποίους είναι πρόσφυγες αστροφυσικής όπως ο Dwyer - έχουν επινοήσει νέους τρόπους για να τρυπήσουν τα σύννεφα. Έχουν πάρει μια σειρά από όργανα κατασκευασμένα για να μελετούν βίαια κοσμικά γεγονότα και τους εκπαίδευσαν στη βαρβαρότητα των επίγειων καταιγίδων. Είδαν κεραυνούς να εκτοξεύουν ακτίνες Χ καθώς κάνουν ζιγκ και ζακ, εντόπισαν λάμψεις ακτίνων γάμμα που τρεμοπαίζουν που προέρχονται από σύννεφα και, πολύ πρόσφατα, εντόπισαν ενδείξεις μπουλονιών που ταξιδεύουν σε απροσδόκητες κατευθύνσεις.

Κανείς δεν έχει συγκεντρώσει όλα τα κομμάτια, αλλά μια νέα κατανόηση του κεραυνού διαμορφώνεται. Οι τρομακτικές λάμψεις μοιάζουν όλο και λιγότερο με τους μεγάλους ηλεκτρικούς σπινθήρες που κάποτε φαντάζονταν οι φυσικοί. Ενώ ο ηλεκτρισμός παίζει κεντρικό ρόλο, οι κεραυνοί σχηματίζονται και διαμορφώνονται από ολόκληρο τον κανόνα της φυσικής — από τις κοσμικές εκρήξεις έως τη σωματιδιακή φυσική. Συγκεκριμένα, η ενεργοποίηση ενός μπουλονιού φαίνεται να απαιτεί ακραία γεγονότα που σχετίζονται πιο τυπικά με σουπερνόβα, μαύρες τρύπες και επιταχυντές σωματιδίων παρά με χνουδωτά σύννεφα.

«Υπάρχει μια αυξανόμενη συναίνεση στο πεδίο ότι οι διεργασίες υψηλής ενέργειας διαδραματίζουν κρίσιμο ρόλο στην εκκίνηση του κεραυνού», δήλωσε ο Caitano da Silva, φυσικός της ατμόσφαιρας στο New Mexico Tech. "Είναι μια συναρπαστική στιγμή να βρίσκεσαι σε αυτόν τον τομέα."

Σημείο ενεργοποίησης

Όταν οι κεραυνοί χώρισαν τον ουρανό, οι αρχαίοι Έλληνες, οι Σκανδιναβοί και οι Ινδουιστές είδαν λάμψεις θεϊκού πολέμου. Και όταν οι κεραυνοί χτυπούσαν το στήθος τους, οι Κινέζοι ένιωσαν μια θεότητα να τιμωρεί τους αδίκους. Σήμερα, η δύναμη των καταιγίδων εξακολουθεί να αφήνει τους ανθρώπους έκπληκτους.

«Μεγάλωσα βλέποντας αυτά τα μεγάλα κρύα μέτωπα να έρχονται με πολλούς κεραυνούς» στη Βραζιλία, είπε ο ντα Σίλβα. "Έμεινα τρομοκρατημένος γι' αυτό."

Με τον φόβο έρχεται η γοητεία. Ωστόσο, παρά τους αιώνες εξερεύνησης, γοητευμένοι φυσικοί όπως ο ντα Σίλβα εξακολουθούν να θέτουν την ίδια ερώτηση που έκαναν οι αρχαίοι:Πώς αρχίζει ο κεραυνός;

Για ένα διάστημα, οι ερευνητές νόμιζαν ότι είχαν μια απάντηση. Καθώς οι φυσικοί απομυθοποιούσαν τον ηλεκτρισμό τον 18ο και τον 19ο αιώνα, έμαθαν πώς να κάνουν μεγάλους σπινθήρες κατόπιν εντολής:συσσωρεύουν ηλεκτρικό φορτίο σε μια μεταλλική μπάλα, φέρνουν μια δεύτερη κοντά και μια σπίθα πηδάει ανάμεσά τους. Όταν οι ερευνητές τελικά επεξεργάστηκαν τη δομή της ύλης, κατάλαβαν γιατί. Τα διαχωρισμένα φορτία δημιουργούν ένα ηλεκτρικό πεδίο μεταξύ των σφαιρών. Όταν το ηλεκτρικό πεδίο φτάσει σε μια κρίσιμη ισχύ - περίπου 3 εκατομμύρια βολτ ανά μέτρο - ο αέρας αρχίζει να αναιρείται. Το πεδίο πετά χαλαρά ηλεκτρόνια σε γειτονικά άτομα, όπου χάνουν περισσότερα ηλεκτρόνια. Όπως το χιόνι σε μια απότομη πλαγιά βουνού, τα ηλεκτρόνια «χιονοστιβάζουν» θερμαίνοντας τον αέρα μέχρι να λάμψει.

Mark Belan/Περιοδικό Quanta

Ο Benjamin Franklin συνέδεσε τους σπινθήρες στο εργαστήριο με τις αστραπές στον ουρανό στο διάσημο πείραμά του με χαρταετό το 1752. Και για τα επόμενα 200 χρόνια, οι ερευνητές πίστευαν ότι αυτό που συνέβη στα σύννεφα καταιγίδας ήταν ακριβώς το ίδιο με αυτό που συνέβη μεταξύ των μεταλλικών σφαιρών τους, σε μεγαλύτερη κλίμακα. Το μυστήριο του κεραυνού φαινόταν λυμένο.

Αλλά όταν οι φυσικοί αποφοίτησαν από χαρταετούς σε πύραυλους και μετεωρολογικά μπαλόνια μεγέθους φορτηγού στα μέσα του 20ου αιώνα, βρήκαν ένα πρόβλημα. Τα σύννεφα έχουν ηλεκτρικά πεδία. μικροσκοπικοί κρύσταλλοι πάγου τρίβονται μεταξύ τους όπως οι κάλτσες πάνω σε ένα χαλί και οι κρύσταλλοι με επιπλέον ηλεκτρόνια τείνουν να συσσωρεύονται στο κάτω μέρος των νεφών. Αλλά αυτά τα πεδία είναι αδύναμα. Οι τυπικές καταιγίδες έχουν μόλις το ένα δέκατο του ηλεκτρικού χυμού που απαιτείται για να σπινθήξει και τα ισχυρότερα πεδία που έχουν μετρηθεί ποτέ φτάνουν μόλις το ένα τρίτο της κρίσιμης έντασης. Ωστόσο, σύμφωνα με τους δορυφόρους της NASA, υπάρχουν περισσότερες από 2.000 καταιγίδες σε όλη την υδρόγειο ανά πάσα στιγμή - μια παρατήρηση τόσο αινιγματική όσο οι χιονοστιβάδες που βροντούν στις πλαγιές των λαγουδιών.

«Πρέπει να αυξήσετε το ηλεκτρικό πεδίο πολύ πάνω από το συμβατικό κατώφλι διάσπασης», είπε ο Michael Stock, ερευνητής στο Συνεταιριστικό Ινστιτούτο για Έρευνες και Επιχειρήσεις Σοβαρών και Υψηλών Καιρικών Συνθηκών στο Πανεπιστήμιο της Οκλαχόμα. "Αλλά αυτό δεν φαίνεται να συμβαίνει στη φύση."

Ένα ορατό μπουλόνι σημαίνει ότι ο αέρας έχει διασπαστεί σε ένα χάος από καυτά, φορτισμένα υποατομικά συντρίμμια. Έτσι είτε κάτι έχει υπερφορτίσει το ηλεκτρικό πεδίο, ωθώντας το πέρα ​​από το κρίσιμο όριο, είτε κάποια άλλη διαδικασία πρέπει να διασπάσει τα μόρια του αέρα. Το ερώτημα είναι:τι;

Το 1752, ο Benjamin Franklin διεξήγαγε το περίφημο πείραμά του με χαρταετό, όπως απεικονίζεται σε αυτό το γ. Πίνακας του 1816 του Benjamin West. Αυτό το πείραμα καθιέρωσε τη σύνδεση μεταξύ κεραυνού και ηλεκτρισμού.

Δημόσιος Τομέας

Ένα στοιχείο έρχεται πάλι από τον Φράνκλιν. Παρατήρησε ότι οι αιχμηρές άκρες είναι πιο πιθανό να ξεκινήσουν ή να λάβουν σπινθήρα. Οι φυσικοί καταλαβαίνουν τώρα ότι αυτό συμβαίνει επειδή οι μυτεροί αγωγοί ενισχύουν το κοντινό ηλεκτρικό πεδίο. Τις δεκαετίες του 1960 και του 1970, φυσικοί στη Φλόριντα και τη Γαλλία άρχισαν σκόπιμα να πυροδοτούν κεραυνούς εκτοξεύοντας μικρούς πυραύλους με αιχμηρές αιχμές σε σύννεφα καταιγίδας. Ένα σύρμα ξετυλίγονταν πίσω από τον πύραυλο και οδηγούσε το μπουλόνι στο έδαφος.

Τα περισσότερα σύννεφα καταιγίδας δεν έχουν βελάκια τοποθετημένα σε πύραυλο για να τους βοηθήσουν να σπινθήξουν, αλλά έχουν κρυστάλλους πάγου, μερικοί από τους οποίους μπορεί να ξεπεράσουν το μέγεθος μιας γόμας με μολύβι. Αυτά τα κομμάτια πάγου, τα οποία είναι επίσης αγωγοί, μπορούν να τεντωθούν σε θραύσματα. Οι φυσικοί υπολόγισαν ότι αρκετά μακρά θραύσματα πάγου θα μπορούσαν να ενισχύσουν την ένταση του πεδίου κατά 10 ή περισσότερο, και ότι ένας αριθμός από αυτούς τους λεγόμενους υδρομετεωρίτες που δρουν μαζί θα μπορούσαν να κάνουν ακόμη καλύτερα. Για άλλη μια φορά, το μυστήριο φαινόταν λυμένο.

Στη συνέχεια, οι φυσικοί άρχισαν να εξετάζουν τις καταιγίδες από το διάστημα και έμαθαν ότι τα σύννεφα κεραυνών ήταν πιο περίεργα από ό,τι είχαν φανταστεί.

Χιονοστιβάδες δραπέτης

Το 1994, ένας δορυφόρος που αναζητούσε ακραίες εκρήξεις στο βαθύ διάστημα έτυχε να συλλάβει λάμψεις ακτίνων γάμμα που προέρχονταν από κεραυνούς, συχνά μαζί με κεραυνούς. Οι ακτίνες γάμμα είναι ο πιο ενεργητικός τύπος ακτίνων φωτός, που τυπικά σηματοδοτούν την τελευταία ανάσα ενός αστεριού που πεθαίνει ή το κατακλυσμικό χτύπημα δύο αστέρων νετρονίων. Δεν είναι κάτι που θα περίμενε κανείς να βγει από ένα σύννεφο, ανεξάρτητα από το πόσα αιχμηρά κομμάτια πάγου είχε. Κάτι συνέβαινε στο γρήγορο και έντονο βασίλειο των υποατομικών σωματιδίων.

Αυτή ήταν περίπου η εποχή που ο Dwyer είδε τις ραγδαίες καταιγίδες του Φλόριντα και έμαθε για τη μυστηριώδη προέλευσή τους. Ως αστροφυσικός, γνώριζε για το υποατομικό βασίλειο. Ήταν εξοικειωμένος με το έργο του νομπελίστα C.T.R. Wilson, ο οποίος είχε υποθέσει ότι ένα «σχετικιστικό» ηλεκτρόνιο που κινείται με ταχύτητα κοντά στην ταχύτητα του φωτός μετά βίας θα αισθανόταν έλξη από άτομα στον αέρα. (Ο Ντα Σίλβα το παρομοιάζει με μια σφαίρα που σκίζει μέσα από ένα κύμα νιφάδων χιονιού.) Ένα αρκετά γρήγορο ηλεκτρόνιο σε ένα ηλεκτρικό πεδίο θα μπορούσε επομένως να «φύγει μακριά» όλο και πιο γρήγορα.

Ο Dwyer γνώριζε ότι ένας Ρώσος φυσικός, ο Aleksandr Gurevich, είχε δείξει το 1992 ότι ένα τέτοιο ηλεκτρόνιο θα μπορούσε να απελευθερώσει έναν καταρράκτη ίσως 100.000 ηλεκτρονίων, παρόμοιο με τις χιονοστιβάδες που προκαλούν σπινθήρες στο εργαστήριο, αλλά παίζουν πάνω από εκατοντάδες έως χιλιάδες μέτρα. Και ήξερε επίσης ότι όταν αυτά τα σχετικιστικά, διαφυγόντα ηλεκτρόνια αναπηδούσαν από τα μόρια του αέρα, θα μπορούσαν να εκπέμπουν ακτίνες γάμμα.

Οι κεραυνοί είναι συνηθισμένοι στη Φλόριντα. Αυτό το χτύπημα χτύπησε το σημείο εκτόξευσης του Διαστημικού Λεωφορείου Challenger στο Διαστημικό Κέντρο Κένεντι στις 30 Αυγούστου 1983.

NASA

Από μόνες τους, αυτές οι ακραίες υποατομικές υποθέσεις δεν φαινόταν να είναι αρκετά άφθονες για να εξηγήσουν τις λαμπρές ακτίνες γάμμα που φωτίζουν τα σύννεφα καταιγίδας. Αλλά τότε ο Dwyer φαντάστηκε μια μπαρόκ διαδικασία που θα μπορούσε να επιτρέψει σε μια χιονοστιβάδα να ξεκινήσει την άλλη, και μια άλλη, και μια άλλη, ακριβώς η μια πάνω στην άλλη.

Σύμφωνα με τη διαδικασία του Dwyer, όταν ένα ηλεκτρόνιο στη χιονοστιβάδα συγκρούστηκε με ένα άτομο, το ηλεκτρόνιο θα μπορούσε να εκτοξευθεί και να εκπέμψει μια ακτίνα γάμμα. Αυτή η ακτίνα γάμμα θα μεταμορφωνόταν σε ένα ηλεκτρόνιο και το δίδυμο της αντιύλης, ένα ποζιτρόνιο. Το ηλεκτρικό πεδίο του σύννεφου θα ωθούσε το ποζιτρόνιο προς τα πίσω κοντά στο σημείο όπου ξεκίνησε η χιονοστιβάδα. Εκεί θα μπορούσε να συντριβεί σε ένα άλλο άτομο, πυροδοτώντας μια άλλη χιονοστιβάδα, η οποία θα έκανε περισσότερες ακτίνες γάμμα, περισσότερα ποζιτρόνια, περισσότερες χιονοστιβάδες κ.λπ., μέχρι να εμφανιστεί μια λάμψη ορατή από την τροχιά.

«Είναι σαν να παίρνεις ένα μικρόφωνο και να το κολλάς δίπλα σε ένα ηχείο», είπε ο Dwyer, ο οποίος είναι τώρα στο Πανεπιστήμιο του New Hampshire. "Μπορεί να ακούγεται πολύ γρήγορα."

Η στοίβα των δραπέτων σχετικιστικών χιονοστιβάδων θα μπορούσε να εξηγήσει τις ακτίνες γάμμα. Και θα μπορούσε επίσης να συμβάλει στην αστραπιαία μύηση. Καθώς η χιονοστιβάδα καταρράκτη, τα ηλεκτρόνια συσσωρεύονται στο μπροστινό μέρος ενώ αφήνουν θετικά φορτισμένα ιόντα στο πέρασμά τους — ενισχύοντας το ηλεκτρικό πεδίο του νέφους.

Σε προσομοιώσεις υπολογιστή, ο Dwyer έδειξε ότι αυτή η αλυσίδα γεγονότων ενίσχυε τις χιονοστιβάδες, ακτινοβολούσε ακτίνες γάμμα και ανέβαζε το ηλεκτρικό πεδίο. Περίπου την ίδια εποχή, λεπτομερείς προσομοιώσεις θραυσμάτων πάγου αποκάλυψαν πόσο αιχμηρά ήταν πιθανό να γίνουν —όχι πολύ αιχμηρά— κάτι που άρχισε επίσης να αποδυναμώνει τη θεωρία του υδρομετεωρίτη.

Λοιπόν, οι δραπέτες σχετικιστικές χιονοστιβάδες του Dwyer συνέβαιναν πραγματικά μέσα στα σύννεφα; Και θα μπορούσε αυτό να ενισχύσει το ηλεκτρικό πεδίο αρκετά ώστε να παράγει κεραυνό; Οι συνάδελφοί του διχάστηκαν.