Chmury burzowe nie tylko powodują deszcz i błyskawice, ale także emitują promienie gamma, w tym nowo odkryte migoczące błyski gamma trwające od 50 do 200 milisekund.
Odkrycie to osiągnięto dzięki współpracy między międzynarodowymi badaczami wykorzystującymi NASAplatform powietrznych oznacza znaczący postęp w zrozumieniu mechanizmów stojących za promieniowaniem wyładowań atmosferycznych i burz. Mogłoby to poprawić szacunki ryzyka wyładowań atmosferycznych, które mają kluczowe znaczenie dla środków bezpieczeństwa dotyczących ludzi, statków powietrznych i statków kosmicznych.
Emisje promieniowania gamma w chmurze burzowej
Chmury burzowe to coś więcej niż deszcz i błyskawice. Oprócz emisji światła widzialnego chmury burzowe mogą wytwarzać intensywne rozbłyski promieni gamma, najbardziej energetyczną formę światła, trwające milionowych części sekundy. Chmury mogą również świecić promieniami gamma w sposób ciągły przez sekundy lub minuty.
Naukowcy korzystający z platform powietrznych NASA odkryli teraz nowy rodzaj emisji promieniowania gamma, który trwa krócej niż ciągłe świecenie i dłużej niż błyski mikrosekundowe. Nazywają to migoczącym błyskiem promieniowania gamma. Odkrycie uzupełnia brakujące ogniwo w wiedzy naukowców na temat promieniowania chmur burzowych i zapewnia nowy wgląd w mechanizmy wytwarzające błyskawice. Te spostrzeżenia mogą z kolei prowadzić do dokładniejszych szacunków ryzyka wyładowań atmosferycznych dla ludzi, samolotów i statków kosmicznych.
Przełomowa współpraca badawcza i odkrycia
Naukowcy z Uniwersytetu w Bergen w Norwegii przeprowadzili badanie we współpracy z naukowcami z Centrum Lotów Kosmicznych Marshalla w Huntsville w stanie Alabama, Centrum Lotów Kosmicznych Goddarda w Greenbelt w stanie Maryland, Laboratorium Badawczego Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych i wieloma uniwersytetami w USA. Meksyk, Kolumbia i Europa. Odkrycia opisano w dwóch artykułach opublikowanych 2 października w Natura.
Międzynarodowy zespół badawczy dokonał swojego odkrycia podczas lotu z baterią detektorów na pokładzie samolotu badawczego NASA ER-2. W lipcu 2023 roku ER-2 wyruszył w serię 10 lotów z bazy sił powietrznych MacDill w Tampa na Florydzie. Samolot wykonał lot w kształcie ósemki kilka mil nad tropikalnymi chmurami burzowymi na Karaibach i w Ameryce Środkowej, zapewniając niespotykany dotąd obraz aktywności chmur.
Innowacyjne techniki i instrumenty w działaniu
Ładunek naukowy opracowano na potrzeby kampanii Airborne Lightning Observatory dla symulatora geostacjonarnego mapowania błyskawic Fly’s Eye i naziemnych błysków gamma-ray (ALOFT). Oprzyrządowanie zawarte na ładunku obejmowało radary pogodowe wraz z wieloma czujnikami do pomiaru promieni gamma, wyładowań atmosferycznych i emisji mikrofal z chmur.
Naukowcy mieli nadzieję, że instrumenty ALOFT zaobserwują szybkie rozbłyski promieniowania, zwane ziemskimi błyskami gamma (TGF). Błyski, po raz pierwszy odkryto w 1992 r przez należącą do NASA sondę Compton Gamma Ray Observatory, towarzyszą niektórym uderzeniom piorunów i trwają tylko milionowe części sekundy. Pomimo ich dużej intensywności i związku z widzialnym piorunem, podczas poprzednich badań prowadzonych na samolotach dostrzeżono niewiele TGF.
Zaskakujące odkrycia w badaniach nad promieniowaniem gamma
„Poszedłem na spotkanie tuż przed kampanią ALOFT” – powiedział główny badacz Nikolai Østgaard, fizyk kosmiczny z Uniwersytetu w Bergen. „I zapytali mnie: «Ile TGF zamierzasz zobaczyć?» Powiedziałem: „Albo zobaczymy zero, albo zobaczymy dużo”. A potem przypadkiem zobaczyliśmy 130.”
Jednakże migoczące rozbłyski promieniowania gamma były całkowitym zaskoczeniem.
„Są prawie niemożliwe do wykrycia z kosmosu” – powiedział współkierownik badania Martino Marisaldi, który jest także fizykiem kosmicznym z Uniwersytetu w Bergen. „Ale kiedy lecisz na odległość 20 kilometrów [12.5 miles] wysoko, jesteś tak blisko, że je zobaczysz. Zespół badawczy odkrył ponad 25 takich nowych błysków, każdy trwający od 50 do 200 milisekund.
Konsekwencje dla meteorologii i bezpieczeństwa
Obfitość szybkich rozbłysków i odkrycie błysków o pośrednim czasie trwania mogą być jednymi z najważniejszych odkryć chmur burzowych w ciągu najbliższej dekady lub dłużej, powiedział fizyk z Uniwersytetu New Hampshire Joseph Dwyer, który nie był zaangażowany w badania. „Mówią nam coś o działaniu burzy, co jest naprawdę ważne, ponieważ podczas burzy powstają błyskawice, które ranią i zabijają wiele osób”.
Mówiąc szerzej, Dwyer stwierdził, że jest podekscytowany perspektywami rozwoju meteorologii. „Myślę, że wszyscy zakładają, że odkryliśmy błyskawice już dawno temu, ale jest to przeoczany obszar… nie rozumiemy, co dzieje się w tych chmurach tuż nad naszymi głowami”. Odkrycie migoczących błysków promieniowania gamma może dostarczyć kluczowych wskazówek, których naukowcy potrzebują, aby zrozumieć dynamikę chmur burzowych, powiedział.
Wzmocnienie badań poprzez badania na samolotach
Zwrócenie się w stronę oprzyrządowania pokładowego zamiast satelitów zapewniło duży zwrot pieniędzy z badań, powiedział naukowiec biorący udział w badaniu, Timothy Lang z Centrum Lotów Kosmicznych Marshalla w Huntsville w Alabamie należącego do NASA.
„Gdybyśmy mieli jeden błysk, bylibyśmy zachwyceni, a było ich znacznie ponad 100” – powiedział. Badania te mogą przyczynić się do znacznego postępu w naszej wiedzy na temat burz i promieniowania powodowanego przez burze. „Pokazuje, że jeśli postawisz sobie właściwy problem i zechcesz podjąć trochę ryzyka, możesz uzyskać ogromne korzyści”.
Więcej informacji na temat tego badania:
Referencje:
„Migające błyski promieniowania gamma, brakujące ogniwo między świeceniem gamma a TGF” N. Østgaard, A. Mezentsev, M. Marisaldi, JE Grove, M. Quick, H. Christian, S. Cummer, M. Pazos, Y. Pu, M. Stanley, D. Sarria, T. Lang, C. Schultz, R. Blakeslee, I. Adams, R. Kroodsma, G. Heymsfield, N. Lehtinen, K. Ullaland, S. Yang, B. Hasan Qureshi , J. Søndergaard, B. Husa, D. Walker, D. Shy, M. Bateman, P. Bitzer, M. Fullekrug, M. Cohen, J. Montanya, C. Younes, O. van der Velde, P. Krehbiel , JA Roncancio, JA Lopez, M. Urbani, A. Santos i D. Mach, 2 października 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-07893-0
„Wysoce dynamiczne emisje promieniowania gamma są powszechne w tropikalnych chmurach burzowych” M. Marisaldi, N. Østgaard, A. Mezentsev, T. Lang, JE Grove, D. Shy, GM Heymsfield, P. Krehbiel, RJ Thomas, M. Stanley , D. Sarria, C. Schultz, R. Blakeslee, MG Quick, H. Christian, I. Adams, R. Kroodsma, N. Lehtinen, K. Ullaland, S. Yang, B. Hasan Qureshi, J. Søndergaard, B Husa, D. Walker, M. Bateman, D. Mach, S. Cummer, M. Pazos, Y. Pu, P. Bitzer, M. Fullekrug, M. Cohen, J. Montanya, C. Younes, O. van der Velde, JA Roncancio, JA Lopez, M. Urbani i A. Santos, 2 października 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-07936-6
