Μία ομάδα ερευνητών με επικεφαλής από το πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια, ανακάλυψε την αντίδραση που πυροδοτεί τις ηλεκτρικές εκκενώσεις, λύνοντας έναν γρίφο που βασάνιζε την φυσική της ατμόσφαιρας για δεκαετίες ολόκληρες.
Παρόλο που ο μηχανισμός με τον οποίον ο κεραυνός πέφτει στο έδαφος, έχει ανακαλυφθεί εδώ και καιρό, η ακριβής διαδικασία που πυροδοτεί τον σχηματισμό του μέσα στα καταιγιδοφόρα νέφη, παρέμενε ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια της μετεωρολογίας.
Τώρα, μια ομάδα ερευνητών με επικεφαλής τον Victor Pasko, καθηγητή ηλεκτρικής μηχανικής στο τμήμα ηλεκτρολόγων μηχανικών και μηχανικών ηλεκτρικών υπολογιστών στο Πανεπιστήμιο της Πενσιλβάνια, κατάφερε να αποκρυπτογραφήσει την περίπλοκη αλληλουχία των γεγονότων που οδηγεί σε αυτό το φυσικό φαινόμενο.
Η μελέτη, η οποία δημοσιεύτηκε στο Journal of Geophysical Research, περιγράφει με λεπτομέρειες πώς τα ισχυρά ηλεκτρικά πεδία μέσα στους σωρειτομελανίες, επιταχύνουν τα ηλεκτρόνια, τα οποία, όταν συγκρούονται με τα μόρια αζώτου και οξυγόνου στην ατμόσφαιρα, παράγουν ακτίνες X και προκαλούν μια καταιγιστική αλυσίδα σωματιδίων υψηλής ενέργειας.
Αυτή η διαδικασία, σύμφωνα με τους ερευνητές, είναι ο ιδανικός μηχανισμός εκκίνησης για τον σχηματισμό κεραυνών. «Τα ευρήματά μας προσφέρουν την πρώτη ποσοτική και ακριβή εξήγηση για το πώς ξεκινά ο κεραυνός στη φύση», εξηγεί ο Pasko. «Συνδέουν τα επιμέρους στοιχεία μεταξύ τους – τις ακτίνες Χ, τα ηλεκτρικά πεδία και τη φυσική των καταιγίδων ηλεκτρονίων».
Ο ρόλος των κοσμικών ακτίνων και των εκλάμψεων Ακτίνων Γάμμα
Για να καταλήξει σε αυτό το συμπέρασμα, η ομάδα χρησιμοποίησε ένα μαθηματικό μοντέλο που αναπαράγει τις συνθήκες που παρατηρούνται σε πραγματικές καταιγίδες, επιβεβαιώνοντας ότι τα σχετικιστικά ηλεκτρόνια — τα οποία προέρχονται από κοσμικές ακτίνες που διεισδύουν στην ατμόσφαιρα από το διάστημα — πολλαπλασιάζονται παρουσία έντονων ηλεκτρικών πεδίων, εκπέμποντας σύντομους παλμούς υψηλής ενέργειας φωτονίων.
Αυτό το φαινόμενο, γνωστό ως επίγειες εκλάμψεις ακτίνων γάμμα (TGF), είχε ανιχνευτεί προηγουμένως από δορυφόρους και κατασκοπευτικά αεροσκάφη σε μεγάλο υψόμετρο, αλλά η άμεση σχέση του με τον σχηματισμό κεραυνών παρέμενε ασαφής.
«Προσομοιώνοντας συνθήκες που ταίριαζαν με αυτές που παρατηρήθηκαν επιτόπου, δώσαμε μια πλήρη εξήγηση για τις ακτίνες Χ και τις ραδιοεκπομπές που εμφανίζονται μέσα στα καταιγιδοφόρα νέφη», ανέφερε ο Pasko. «Δείξαμε πώς τα ηλεκτρόνια, επιταχυνόμενα από τα ηλεκτρικά πεδία, παράγουν ακτίνες Χ όταν συγκρούονται με μόρια του αέρα, δημιουργώντας μια χιονοστιβάδα σωματιδίων που τελικά ενεργοποιεί τον κεραυνό».
O Zaid Pervez, διδακτορικός φοιτητής στην ηλεκτρική μηχανική και ένας από τους συγγραφείς της μελέτης, συνέκρινε τα δεδομένα του μοντέλου με πραγματικές παρατηρήσεις που συλλέχθηκαν από άλλες ερευνητικές ομάδες.
«Εξηγήσαμε πώς συμβαίνουν αυτά τα φωτοηλεκτρικά φαινόμενα, ποιες συνθήκες πρέπει να επικρατούν στα σύννεφα για να ξεκινήσει η αλυσίδα των ηλεκτρονίων και τι προκαλεί την ευρεία ποικιλία ραδιοσημάτων που ανιχνεύουμε πριν από έναν κεραυνό», σημείωσε ο Pervez.
Ένα μοντέλο που δίνει απαντήσεις σε άγνωστα μέχρι τώρα φαινόμενα
Η μελέτη βασίζεται σε ένα θεωρητικό μοντέλο που εφηύρε ο Pasko και οι συνεργάτες του το 2023, το οποίο ονομάζεται Φωτοηλεκτρική Αποφόρτιση Ανατροφοδότησης (Photoelectric Feedback Discharge), που προσομοιώνει τις φυσικές συνθήκες που είναι απαραίτητες για τον σχηματισμό κεραυνών.
Οι εξισώσεις που χρησιμοποιούνται στο μοντέλο είναι διαθέσιμες στο άρθρο, ώστε άλλοι ερευνητές να μπορούν να τις εφαρμόσουν στη δική τους εργασία.
Εκτός από το ότι διασαφήνισε την προέλευση των κεραυνών, η ομάδα έλυσε ακόμη έναν γρίφο: Για ποιον λόγο οι επίγειες εκλάμψεις ακτίνων γάμμα (TGFs) εμφανίζονται συχνά χωρίς να συνοδεύονται από ορατούς κεραυνούς ή τις συνήθεις ραδιοεκπομπές που σχετίζονται με καταιγίδες.
Οι TGFs παράγονται σε μικρές, τοπικές περιοχές των καταιγίδων, και οι διαδικασίες που τις δημιουργούν είναι διαφορετικές από αυτές που προκαλούν τον παραδοσιακό κεραυνό.
«Στις προσομοιώσεις μας, οι ακτίνες Χ υψηλής ενέργειας δημιουργούν νέα ηλεκτρόνια λόγω του φωτοηλεκτρικού φαινομένου στον αέρα, ενισχύοντας γρήγορα τις χιονοστιβάδες σωματιδίων», τόνισε ο Pasko . «Αυτή η αλυσιδωτή αντίδραση μπορεί να εκδηλωθεί σε πολύ μικρούς όγκους και με μεταβαλλόμενη ένταση, γεγονός που εξηγεί γιατί αυτές οι εκλάμψεις ακτίνων γάμμα μπορεί να προέρχονται από περιοχές που εμφανίζονται οπτικά σκοτεινές και “σιωπηλές” στο ραδιοφωνικό φάσμα».
Όπως σημείωσε το πανεπιστήμιο Penn State σε σχετικό δελτίο Τύπου, η έρευνα όχι μόνο ικανοποιεί την ανθρώπινη περιέργεια για την κατανόηση των φυσικών φαινομένων, αλλά συμβάλλει και στη βελτίωση της ασφάλειας και της ποιότητας ζωής σε έναν κόσμο που πλήττεται όλο και περισσότερο από ακραία καιρικά φαινόμενα.
Με την ανακάλυψη αυτή, επιτέλους δίνεται η απάντηση σε ένα από τα αρχαιότερα ερωτήματα της φυσικής της ατμόσφαιρας, ανοίγοντας τον δρόμο για μελλοντικές έρευνες που θα προβλέπουν και να μετριάζουν τις επιπτώσεις των καταιγίδων.