Benjamin Franklin w XVIII w. przeprowadził wiele doświadczeń, za pomocą których chciał dowieść, że ładunki elektryczne spływające z chmur burzowych po wilgotnym sznurze mogą naładować przyrząd do gromadzenia ładunku elektrycznego.
Amerykanin doszedł do wniosku, że ciała naelektryzowane jednakowo odpychają się, a naelektryzowane różnoimiennie się przyciągają. I tak wynalazł zabezpieczenie przed wyładowaniami elektrycznymi zwane piorunochronem (w tym okresie do podobnych wniosków doszedł też teolog i przyrodnik z Czech Václav Prokop Diviš – skonstruował jeden z pierwszych uziemionych piorunochronów).
Po ok. 270 latach od tych odkryć badacze z Pensylwanii (School of Electrical Engineering and Computer Science) poinformowali, że dopiero udało im się w pełni przeanalizować zjawisko powstawania piorunów i ustalić, co musi się zadziać, aby do tego doszło.
Skąd biorą się pioruny? Promieniowanie ma kluczową rolę
Wydawało się, że o piorunach wiadomo już wszystko. A to nie do końca prawda – mówią Amerykanie. Okazało się na przykład, że piorun nie powstanie bez promieniowania. Bo to właśnie ono inicjuje powstawanie fal naładowanych cząstek i fotonów, które dają początek piorunowi.
Skąd jednak biorą się te pierwsze elektrony? W powstawaniu bardzo silnych wyładowań atmosferycznych uczestniczą ziemskie rozbłyski promieniowania gamma, składające się głównie z promieniowania rentgenowskiego.
„Pierwsze elektrony powstają z bombardowania atomów gazów atmosferycznych przez promieniowanie kosmiczne” – czytamy na łamach magazynu Pulsar. „Nasze odkrycia stanowią pierwsze i precyzyjne wyjaśnienie tego, jak pioruny powstają w naturze” – komentuje prof. Victor Pasko.
Na czym więc polegają procesy atmosferyczne, które wyzwalają gigantyczne iskry elektryczne? Według prof. Pasko i jego zespołu zjawisko można porównać do potężnej reakcji łańcuchowej działającej podobnie do… automatu do gry w pinball.
Aby dojść do nowych wniosków badacze wykorzystali modelowanie matematyczne i stworzyli symulacje warunków, w których prawdopodobnie powstaje piorun.
„Wyjaśniliśmy, jak zachodzą zjawiska fotoelektryczne i jakie warunki muszą panować w chmurach burzowych, aby zainicjować kaskadę elektronów. Uzyskaliśmy odpowiedź na pytanie, co obserwujemy w chmurach, zanim uderzy piorun” – dodaje Zaid Perve, jeden z naukowców biorący udział w badaniach.
Niekontrolowana reakcja łańcuchowa
Wewnątrz chmur burzowych silne pola elektryczne przyspieszają elektrony, które zderzają się z cząsteczkami, takimi jak azot i tlen. Reakcje te wytwarzają promieniowanie elektromagnetyczne, powszechnie znane jako promienie rentgenowskie, a także jeszcze więcej elektronów i fotonów o wysokiej energii. Fotony to podstawowe cząstki, z których składa się światło. Następnie powstają pioruny.
Protony unoszą się, a elektrony opadają w kierunku ziemi, powodując nagromadzenie się na niej dodatniego ładunku elektrycznego. Kiedy ten dodatni ładunek dociera do zbliżającego się ładunku ujemnego, a kanały się łączą, transfer elektryczny jest tym, co obserwujemy jako piorun.
„W naszym modelowaniu wysokoenergetyczne promieniowanie rentgenowskie wytwarzane przez lawiny elektronów generuje nowe elektrony napędzane efektem fotoelektrycznym, co gwałtownie wzmacnia te lawiny” – relacjonują naukowcy.
Oprócz tego, że promieniowanie jest wytwarzane w bardzo małych objętościach, ta niekontrolowana reakcja łańcuchowa może zachodzić z bardzo zmienną siłą, często prowadząc do wykrywalnych poziomów promieniowania rentgenowskiego, któremu towarzyszy bardzo słaba emisja optyczna i radiowa.
To wyjaśnia, dlaczego te błyski promieniowania gamma mogą pochodzić z obszarów źródłowych, które wydają się optycznie słabe i bezemisyjne – wyjaśniają Amerykanie.
