Lecąc zmodyfikowanym samolotem szpiegowskim U2 nad chmurami naukowcy zarejestrowali wysokoenergetyczne rozbłyski promieniowania gamma pochodzące z burz. Ustalili, że te rozbłyski są znacznie bardziej powszechne niż dotąd przypuszczano. Badania dostarczają nowych spostrzeżeń na temat mechanizmów, które powodują wyładowania atmosferyczne. Spostrzeżenia te z kolei mogą doprowadzić do dokładniejszych szacunków ryzyka uderzeń błyskawic.
W latach 90. satelity NASA zbudowane w celu wykrywania wysokoenergetycznych cząstek pochodzących z supernowych i innych obiektów kosmicznych dostrzegły wysokoenergetyczne rozbłyski promieniowania gamma pochodzące z Ziemi. Badacze w krótkim czasie ustalili, że błyski promieniowania pochodzą z burz. Satelity nie zostały zbudowane w celu wykrywania promieniowania gamma pochodzącego z Ziemi i trudno za ich pomocą było badać to zjawisko.
Po latach grupa naukowców uzyskała możliwość lotu zmodyfikowanym samolotem szpiegowskim U2 nad burzami, aby dokładnie się im przyjrzeć. W dwóch nowych artykułach opublikowanych w czasopiśmie „Nature” (DOI: 10.1038/s41586-024-07893-0, DOI: 10.1038/s41586-024-07936-6) zespół opisał swoje prace. Badacze ustalili, że promieniowanie gamma wytwarzane podczas burz jest znacznie powszechniejsze, niż sądzono. Do tego uczeni dostrzegli nieznany wcześniej rodzaj promieniowania gamma z chmur burzowych.
Burze promieniowania
Chmury burzowe to coś więcej niż deszcz i błyskawice. Mogą wytwarzać również intensywne błyski promieni gamma, najbardziej energetycznej formy promieniowania elektromagnetycznego. Promienie gamma są emitowane w reakcjach jądrowych i w najbardziej ekstremalnych zdarzeniach we Wszechświecie, takich jak chociażby wybuchy supernowych, ale mogą również pochodzić z bliższych miejsc. Na przykład z Ziemi. W ostatnich latach naukowcy odkryli, że burze mają zdolność wytwarzania promieniowania gamma.
– W burzach dzieje się o wiele więcej, niż kiedykolwiek sobie wyobrażaliśmy – powiedział Steve Cummer z Duke University, współautor obu publikacji. – Okazuje się, że zasadniczo wszystkie duże burze generują promienie gamma w wielu różnych formach – dodał.
W swoich badaniach międzynarodowa grupa naukowców wykorzystała samolot ER-2 High-Altitude Airborne Science Aircraft. To zmodernizowana wersja samolotu szpiegowskiego U2 z czasów zimnej wojny. Potrafi on wznieść się dwa razy wyżej niż samolot linii komercyjnych. Naukowcy wyposażyli go w szereg instrumentów naukowych, takich jak radary pogodowe wraz z wieloma czujnikami do pomiaru promieni gamma czy emisji mikrofal z chmur i latali nim w lipcu ubiegłego roku nad Zatoką Meksykańską w celu badania burz tropikalnych.
Obserwacje z pokładu przerobionego U2
Błyski promieniowania gamma odkryte w latach 90. zostały nazwane ziemskimi błyskami gamma lub atmosferycznymi błyskami gamma (z j. ang. Terrestrial gamma-ray flash, TGF). Ich czas trwania liczony jest w milisekundach i towarzyszą niektórym uderzeniom piorunów. Pomimo ich dużej intensywności i wyraźnego związku z wyładowaniami atmosferycznymi, do lotu przerobionym U2 tylko kilka TGF zostało zauważonych. Ale kampania obserwacyjna z pokładu reliktu zimnej wojny pozwoliła zaobserwować aż 130 tego typy zjawisk.
– Samolot ER-2 był najlepszą platformą obserwacyjną dla promieni gamma z chmur burzowych – powiedział Nikolai Østgaard z Uniwersytetu w Bergen w Norwegii i główny badacz projektu. – Lecąc na wysokości 20 km możemy przelecieć bezpośrednio nad szczytem chmury, tak blisko źródła promieniowania gamma, jak to możliwe – dodał.
Nowy rodzaj rozbłysków gamma
Poza TGF badacze wiedzą, że burze generują też znacznie dłuższe wybuchy promieni gamma. Ale podczas lotu ER-2 uczeni dostrzegli nieznany rodzaj emisji promieni gamma, które składają się z impulsów o dłuższym czasie trwania niż TFG i wydają się być powiązane z trwającymi dłużej emisjami. Naukowcy nazwali je migoczącymi błyskami gamma (flickering gamma-ray flashes, FGF).
Jak przyznali badacze, FGF są prawnie niemożliwe do zaobserwowania z kosmosu. Jednak z wysokości około 20 kilometrów, czyli z pułapu, na którym operował ER-2, można je zobaczyć. Zespół zidentyfikował blisko 30 takich błysków, z których każdy trwał od 50 do 200 milisekund.
Dostrzeżone FGF miały cechy pośrednie między dwoma pozostałymi rodzajami promieniowania gamma z burz. Naukowcy wiedzą od lat 80., że burze mogą emitować promienie gamma. Dzieje się tak, gdy pola elektryczne o ogromnym napięciu rozwijają się wewnątrz wirujących chmur burzowych, tworząc naturalny akcelerator cząstek. Gdy kaskady elektronów poruszające się z dużymi prędkościami zderzają się z cząsteczkami powietrza, uwalniają promieniowanie gamma.
Biorąc pod uwagę rozmiar typowej burzy w tropikach, która jest znacznie większa niż burze na innych szerokościach geograficznych, naukowcy sugerują, że ponad połowa wszystkich burz tropikalnych wytwarza promieniowanie gamma. Zakładają też, że ta produkcja promieniowania gamma działa jak para wodna wydobywająca się z garnka z wrzącą wodą i ogranicza ilość energii, która mogłaby zostać zgromadzona w środku.
Początkowo uważano, że za produkcję promieniowania gamma mogą odpowiadać pioruny. Wydaje się, że tak nie jest. W rzeczywistości, gdy powstaje błyskawica, ma ona tendencję do podążania za emisjami promieni gamma, więc może to promienie gamma faktycznie inicjują pioruny? TGF wykryte z pokładu samolotu prawie zawsze występowały w połączeniu z wyładowaniem atmosferycznym.
Nowo odkryte emisje mogą być kluczowe dla zrozumienia, w jaki sposób promienie gamma powstają na Ziemi. Odkrycie FGF może też dostarczyć istotnych wskazówek do lepszego zrozumienia dynamiki chmur burzowych.
Źródło: Duke University, NASA, Nature, fot. NASA/ALOFT team