Nowe obserwacje ze zmodernizowanego samolotu szpiegowskiego U2 ujawniają zaskakującą ilość i różnorodność promieniowania gamma wytwarzanego podczas dużych burz tropikalnych.
NASA satelity pierwotnie zaprojektowane do wykrywania wysokoenergetycznych cząstek kosmicznych nieoczekiwanie odkryły rozbłyski promieniowania gamma pochodzące z ziemskich burz. Późniejsze badania przeprowadzone przy użyciu samolotu szpiegowskiego NASA U2 wykazały, że promienie gamma są powszechne podczas burz, objawiając się w różnych formach i powiązanymi z aktywnością elektryczną wewnątrz burz. Odkrycie to wskazuje na złożony, dynamiczny proces obejmujący elektrony o dużej prędkości i reakcje jądrowe, które mogą również wpływać na powstawanie wyładowań atmosferycznych.
Odkrywanie rozbłysków promieniowania gamma na Ziemi
W latach 90. satelity NASA zbudowane w celu wykrywania wysokoenergetycznych cząstek pochodzących z supernowych i innych obiektów wielkości niebieskich odkryły niespodziankę — wysokoenergetyczne rozbłyski promieniowania gamma dochodzące stąd, z Ziemi.
Chociaż badaczom nie zajęło dużo czasu ustalenie, że te radioaktywne doładowane cząstki pochodzą z burz, to jak często zjawisko to występowało, pozostawało tajemnicą. Satelity nie zostały zbudowane do wykrywania promieniowania gamma pochodzącego z Ziemi i aby to zrobić, musiały znajdować się we właściwym miejscu we właściwym czasie.
Burze jako źródła promieniowania gamma
Po latach korzystania z platform, które nie były idealne do tego zadania, grupa naukowców uzyskała możliwość przelotu nad burzami zmodernizowanym samolotem szpiegowskim U2 należącym do NASA, aby dokładnie się temu przyjrzeć. W dwóch nowych artykułach opublikowanych 3 października w czasopiśmie Nature zespół odkrył, że promieniowanie gamma powstające podczas burz jest znacznie częstsze, niż ktokolwiek przypuszczał, oraz że dynamika powstawania promieniowania kryje w sobie skarbnicę tajemnic, które czekają na rozwiązanie.
„Podczas burz dzieje się o wiele więcej, niż kiedykolwiek sobie wyobrażaliśmy” – powiedział Steve Cummer, wybitny profesor inżynierii Williama H. Youngera na Uniwersytecie Duke, który był współautorem obu artykułów. „Jak się okazuje, zasadniczo wszystkie duże burze generują przez cały dzień promienie gamma w wielu różnych formach”.
Fizyka promieniowania gamma podczas burzy
Ogólna fizyka powstawania wysokoenergetycznych błysków promieniowania gamma przez burze nie jest tajemnicą. W miarę rozwoju burzy wirujące przeciągi powodują, że kropelki wody, grad i lód tworzą mieszaninę, która wytwarza ładunek elektryczny przypominający pocieranie balonu o koszulę. Dodatnio naładowane cząstki trafiają na szczyt burzy, podczas gdy ujemnie naładowane cząstki opadają na dno, tworząc ogromne pole elektryczne o sile tak silnej, jak 100 milionów baterii AA ułożonych jeden na drugim.
Kiedy inne naładowane cząstki – takie jak elektrony – znajdą się w tak silnym polu, przyspieszają. Jeśli przyspieszą do wystarczająco dużej prędkości i zdarzy się, że uderzą w cząsteczkę powietrza, wytrącą więcej elektronów o wysokiej energii. Proces przebiega kaskadowo, dopóki zderzenia nie zgromadzą wystarczającej energii, aby wywołać reakcje jądrowe, wytwarzając niezwykle silne i niezwykle szybkie błyski promieni gamma, antymaterii i innych form promieniowania.
„Podczas burz dzieje się o wiele więcej, niż kiedykolwiek sobie wyobrażaliśmy. Jak się okazuje, zasadniczo wszystkie duże burze generują przez cały dzień promienie gamma w wielu różnych formach.”
Steve Cummer, William H. Younger, wybitny profesor inżynierii na Uniwersytecie Duke
Ale to nie koniec historii promieniowania gamma podczas burzy. Samoloty lecące w pobliżu burz również dostrzegły słabą poświatę promieniowania gamma pochodzącego z chmur. Wydaje się, że burze te mają wystarczającą energię, aby wytworzyć wrzące promieniowanie gamma na niskim poziomie, ale coś uniemożliwia im wytworzenie wybuchowego wybuchu przypominającego pękające ziarno kukurydzy.
„W kilku kampaniach lotniczych próbowano ustalić, czy te zjawiska są powszechne, czy nie, ale rezultaty były mieszane, a kilka kampanii nad Stanami Zjednoczonymi w ogóle nie wykazało żadnego promieniowania gamma” – powiedział Cummer. „Ten projekt miał na celu raz na zawsze odpowiedzieć na te pytania”.
Przełomowe obserwacje z lotów na dużych wysokościach
Grupa badawcza zabezpieczyła wykorzystanie wysokogórskiego powietrznego statku powietrznego NASA ER-2. Zmodernizowany samolot szpiegowski U2, będący pozostałością po zimnej wojnie, leci ponad dwukrotnie wyżej niż samoloty komercyjne i około trzech mil nad większością burz. Jest także niezwykle szybki, co daje zespołowi możliwość wybrania dokładnie tych burz, które ich zdaniem najprawdopodobniej przyniosą rezultaty.
„Samolot ER-2 byłby najlepszą platformą obserwacyjną promieni gamma z chmur burzowych” – powiedział Nikolai Østgaard, profesor fizyki kosmicznej na Uniwersytecie w Bergen w Norwegii i główny badacz projektu. „Latanie na 20 km [12.4 miles]możemy przelecieć bezpośrednio nad szczytem chmury, jak najbliżej źródła promieniowania gamma.”
Ponieważ ER-2 był idealnym rozwiązaniem, a zespół miał przelecieć nad odpowiednimi burzami, badacze doszli do wniosku, że gdyby zjawiska te były rzadkie, to prawie w ogóle ich nie widzieliby. Ale gdyby były powszechne, widziałyby dużo.
A widzieli wiele.
Tropikalne burze jako gorące punkty promieniowania gamma
W ciągu miesiąca ER-2 wykonał 10 lotów nad dużymi burzami w tropikach na południe od Florydy, a 9 z nich zaowocowało obserwacjami tego wrzenia promieniowania gamma, które było również bardziej dynamiczne niż oczekiwano.
„Dynamika świecących promieniami gamma chmur burzowych wyraźnie zaprzecza dawnemu quasi-stacjonarnemu obrazowi poświaty i raczej przypomina dynamikę ogromnego wrzącego garnka świecącego promieniami gamma, zarówno pod względem wzoru, jak i zachowania” – powiedział Martino Marisaldi, profesor fizyki i technologii na uniwersytecie z Bergenu.
Biorąc pod uwagę rozmiar typowej burzy w tropikach, która jest znacznie większa niż burz na innych szerokościach geograficznych, sugeruje to, że ponad połowa wszystkich burz w tropikach jest radioaktywna. Naukowcy postulują, że ta niska produkcja promieniowania gamma działa jak para gotująca się w garnku z wodą i ogranicza ilość energii, jaką można w nim zgromadzić.
Intensywne rozbłyski promieniowania gamma podczas piorunów
Badacze byli równie podekscytowani, widząc liczne przykłady krótkotrwałych i intensywnych rozbłysków promieniowania gamma pochodzących z tych samych burz. Niektóre z nich były dokładnie takie same, jak te, które pierwotnie wykryły satelity NASA. Prawie zawsze występowały one w połączeniu z aktywnym wyładowaniem atmosferycznym. Sugeruje to, że duże pole elektryczne wytwarzane przez piorun prawdopodobnie doładowuje i tak już wysokoenergetyczne elektrony, umożliwiając im tworzenie wysokoenergetycznych reakcji jądrowych.
Ale były też co najmniej dwa inne rodzaje krótkich rozbłysków promieniowania gamma, których nigdy wcześniej nie widziano. Jeden typ jest niewiarygodnie krótki, trwa mniej niż tysięczna sekundy, podczas gdy drugi to sekwencja około 10 pojedynczych błysków, które powtarzają się w ciągu około jednej dziesiątej sekundy.
Te dwie nowe formy promieniowania gamma są dla mnie najbardziej interesujące. Nie wydają się być powiązane z powstawaniem błysków piorunów. „Wyłaniają się w jakiś sposób spontanicznie. Dane wskazują, że mogą one być faktycznie powiązane z procesami inicjującymi błyskawice, które wciąż pozostają tajemnicą dla naukowców”.
Steve Cummer, William H. Younger, wybitny profesor inżynierii na Uniwersytecie Duke
„Te dwie nowe formy promieniowania gamma są dla mnie najbardziej interesujące” – powiedział Cummer. „Wydaje się, że nie są one powiązane z powstawaniem błysków piorunów. Pojawiają się w jakiś sposób spontanicznie. Dane wskazują, że mogą one być faktycznie powiązane z procesami inicjującymi błyskawice, które wciąż pozostają tajemnicą dla naukowców”.
Czy powinniśmy się martwić promieniowaniem gamma podczas burzy?
Jeśli ktokolwiek martwi się, że pod wpływem tego promieniowania gamma zamieni się w Hulka, dodał Cummer, nie powinien się tym martwić. Ilość wytwarzanego promieniowania byłaby niebezpieczna tylko wtedy, gdyby osoba lub przedmiot znajdowały się dość blisko źródła promieniowania.
„Gdybyś się tam znalazł, promieniowanie byłoby najmniejszym z twoich problemów. Samoloty unikają latania w aktywnych rdzeniach burzowych ze względu na ekstremalne turbulencje i wiatry” – powiedział Cummer. „Nawet wiedząc to, co wiemy teraz, nie martwię się lataniem bardziej niż kiedyś”.
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
Badania te były wspierane przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych w ramach Siódmego Programu Ramowego Unii Europejskiej (7PR/2007–2013)/umowy o grant ERC nr. 320839 oraz Norweską Radę ds. Badań Naukowych na mocy umów 223252/F50 (CoE) i umowy 325582.
