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.
Zobacz również:
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.
Zobacz również:
"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.
