Νέα έρευνα αποκαλύπτει τα μυστήρια της προέλευσης των αστραπών

Οι αστραπές είναι ένα συνηθισμένο και συναρπαστικό φυσικό φαινόμενο, αλλά, ακόμη και σήμερα, η επιστήμη δεν έχει οριστική απάντηση στο τι τους προκαλεί. Κάθε μέρα, υπολογίζεται ότι περίπου 3 εκατομμύρια αστραπές χτυπούν τον πλανήτη μας, ένας εντυπωσιακός αριθμός που υπογραμμίζει πόσο διαδεδομένο είναι το φαινόμενο. Τώρα, νέα έρευνα που διεξήχθη από επιστήμονες του Εθνικού Εργαστηρίου Los Alamos, στις ΗΠΑ, υποδεικνύει μια απροσδόκητη προέλευση για αυτό το ισχυρό ηλεκτρικό σοκ: τις κοσμικές ακτίνες.

Σύμφωνα με τον Xuan-Min Shao, κύριο συγγραφέα της μελέτης που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό JGR Atmospheres, η επικρατούσα ιδέα από τις δεκαετίες του 1960 και 1970 ήταν ότι τα ηλεκτρόνια που υπάρχουν στον αέρα ιονίζονται, ξεκινώντας ένα είδος «θερμικής ρήξης». Ωστόσο, αυτή η θεωρία θα απαιτούσε ηλεκτρικά πεδία μέσα στα σύννεφα καταιγίδας με ένταση που δεν είχε ποτέ μετρηθεί. Στην πραγματικότητα, το ισχυρότερο ηλεκτρικό πεδίο που ανιχνεύθηκε ποτέ σε ένα σύννεφο καταιγίδας ήταν δέκα φορές χαμηλότερο από αυτό που ήταν απαραίτητο για να πυροδοτηθεί μια αστραπή σύμφωνα με αυτό το μοντέλο.

Για να προσπαθήσουν να λύσουν αυτό το μακροχρόνιο αίνιγμα, ο Shao και η ομάδα του χρησιμοποίησαν ένα εξελιγμένο δίκτυο ραδιοκεραιών για να καταγράψουν με πρωτοφανή ακρίβεια τη χωροχρονική εξέλιξη των ηλεκτρικών εκκενώσεων. Αυτή η υποδομή, που αποτελείται από δύο ομάδες κεραιών σε απόσταση περίπου 11,5 χιλιομέτρων μεταξύ τους στο Los Alamos, επέτρεψε στους ερευνητές να αποκτήσουν μια τρισδιάστατη εικόνα της διαδρομής κάθε αστραπής.

Τα συμπεράσματα της νέας μελέτης βασίζονται στην ανάλυση μιας μόνο καταιγίδας που σημειώθηκε στις 30 Ιουλίου 2022, κατά τη διάρκεια της οποίας σημειώθηκαν πάνω από 300 αστραπές. Εκτός από τον σχηματισμό και την τροχιά των αστραπών, οι ερευνητές μέτρησαν την πόλωση ή την κατεύθυνση του ηλεκτρικού ρεύματος που τους συνέθεσε, συγκρίνοντας στη συνέχεια αυτά τα δύο σύνολα δεδομένων.

Συγκρίναμε την κατεύθυνση διάδοσης του σήματος της αστραπής κατά μήκος αρκετών εκατοντάδων μέτρων με την κατεύθυνση της πόλωσης του σπινθήρα. Διαπιστώσαμε ότι δεν ήταν ευθυγραμμισμένες, δεν ακολουθούσαν την ίδια κατεύθυνση διάδοσης της αστραπής. Αυτό μας έδειξε ότι ο αρχικός σπινθήρας της αστραπής, κατά τη διάρκεια των πρώτων δεκάδων μικροδευτερολέπτων, δεν οδηγείται από το ηλεκτρικό πεδίο που υπάρχει στο σύννεφο, αλλά πρέπει να πυροδοτείται από κάτι άλλο.

Αυτό το «κάτι άλλο», σύμφωνα με τον Shao, θα μπορούσε να είναι οι βροχές των κοσμικών ακτίνων. Πρόκειται για καταρράκτες σωματιδίων υψηλής ενέργειας που δημιουργούνται στη γήινη ατμόσφαιρα όταν οι κοσμικές ακτίνες – φορτισμένοι πυρήνες υδρογόνου που ταξιδεύουν στο Σύμπαν με ταχύτητες κοντά σε αυτές του φωτός, προερχόμενες από φαινόμενα όπως οι υπερκαινοφανείς και οι μαύρες τρύπες – αλληλεπιδρούν με τα μόρια του αέρα. Αυτή η αλληλεπίδραση παράγει μια μυριάδα εξωτικών σωματιδίων, όπως τα πιόνια, τα μιόνια, τα ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας και τα αντίστοιχα της αντιύλης τους, τα ποζιτρόνια.

Η παρουσία ποζιτρονίων στις κοσμικές ακτίνες θα μπορούσε να εξηγήσει την ασυμφωνία που παρατηρήθηκε μεταξύ της κατεύθυνσης των φωτεινών εκκενώσεων και της κατεύθυνσης του ηλεκτρικού ρεύματος στον αρχικό σπινθήρα. Το ποζιτρόνιο είναι το αντισωματίδιο του ηλεκτρονίου, πανομοιότυπο με το τελευταίο αλλά με θετικό φορτίο.

Αν και ο Shao και οι συνάδελφοί του δεν είναι οι πρώτοι που υπέθεσαν μια σχέση μεταξύ των αστραπών και των κοσμικών ακτίνων, οι νέες αυτές παρατηρήσεις είναι σημαντικές επειδή δεν ευθυγραμμίζονται με προηγούμενες θεωρίες. Τα αποτελέσματα είναι ελπιδοφόρα, αλλά οι ερευνητές επισημαίνουν ότι απαιτείται περαιτέρω εργασία για να επιβεβαιωθεί αυτή η ενδιαφέρουσα υπόθεση. Οι κοσμικές ακτίνες βομβαρδίζουν συνεχώς τον πλανήτη μας, αλλά ο αντίκτυπός τους είναι εξαιρετικά δύσκολο να ανιχνευθεί.

Θα θέλαμε πολύ να έχουμε άμεσες και ταυτόχρονες παρατηρήσεις των δύο φαινομένων: των αστραπών και της βροχής κοσμικών ακτίνων. Αλλά αυτό θα είναι πολύ δύσκολο, επειδή οι ανιχνευτές σωματιδίων που μπορούν να αναχαιτίσουν αυτές τις βροχές στο έδαφος μπορούν να τις συλλάβουν μόνο όταν προέρχονται από μια συγκεκριμένη κατεύθυνση. Με τα σημερινά συστήματα, μπορεί να είμαστε σε θέση να ανιχνεύσουμε μόνο μία στις χίλιες.

Προς το παρόν, η ερευνητική ομάδα θα προσπαθήσει να επαναλάβει τις μετρήσεις της σε μεγαλύτερο αριθμό καταιγίδων και αστραπών. Επιπλέον, θα μελετήσουν πιθανές συσχετίσεις μεταξύ του αριθμού των αστραπών και της φάσης του ηλιακού κύκλου. Κατά την περίοδο της μέγιστης δραστηριότητας του Ήλιου, γνωστή ως ηλιακό μέγιστο, το μαγνητικό του πεδίο εντείνεται λόγω του ηλιακού ανέμου, απωθώντας αποτελεσματικότερα τις εισερχόμενες κοσμικές ακτίνες. Θεωρητικά, αυτό θα έπρεπε να καθιστά την ατμόσφαιρα λιγότερο ευνοϊκή για τον σχηματισμό αστραπών. Ωστόσο, τα δεδομένα σχετικά με αυτή την πτυχή είναι ακόμη ελάχιστα προς το παρόν.

[via]