Για δεκαετίες, οι επιστήμονες γνώριζαν καλά πώς «χτυπά» ένας κεραυνός, αλλά τι ακριβώς τον πυροδοτεί μέσα στα σύννεφα παρέμενε ένα άλυτο αίνιγμα. Μια νέα έρευνα με επικεφαλής τον Victor Pasko, καθηγητή ηλεκτρολογίας στο Penn State School of Electrical Engineering and Computer Science, προσφέρει την πρώτη πλήρη και ποσοτική εξήγηση του πώς ξεκινά η διαδικασία δημιουργίας κεραυνών, ρίχνοντας φως σε ένα από τα πιο επιβλητικά φυσικά φαινόμενα του πλανήτη.
Η μελέτη, που δημοσιεύτηκε στις 28 Ιουλίου στο περιοδικό Journal of Geophysical Research, παρουσιάζει μια φυσική αλληλουχία γεγονότων που ξεκινά μέσα σε καταιγιδοφόρα νέφη. Η βασική ανακάλυψη αφορά την επιτάχυνση ηλεκτρονίων από τα ισχυρά ηλεκτρικά πεδία που αναπτύσσονται μέσα στα σύννεφα, τα οποία στη συνέχεια συγκρούονται με μόρια οξυγόνου και αζώτου, εκπέμποντας ακτίνες Χ και προκαλώντας μια χιονοστιβάδα από ηλεκτρόνια και φωτόνια υψηλής ενέργειας, τη συνθήκη που μπορεί να οδηγήσει σε ένα κεραυνικό πλήγμα.
Το ερευνητικό μοντέλο που χρησιμοποιήθηκε προσομοιώνει τις συνθήκες μέσα στα καταιγιδοφόρα σύννεφα και επιβεβαιώνει παρατηρήσεις σχετικές με το φαινόμενο των επιταχυνόμενων ηλεκτρονίων. Τα συγκεκριμένα ηλεκτρόνια, που προέρχονται από κοσμικές ακτίνες και εισέρχονται στην ατμόσφαιρα της Γης από το Διάστημα, ενισχύονται μέσα στα σύννεφα λόγω των έντονων ηλεκτρικών πεδίων και εκπέμπουν σύντομες εκρήξεις ακτινοβολίας. Αυτό το φαινόμενο είναι γνωστό ως επίγεια λάμψη ακτίνων γάμμα, μια αστραπιαία έκρηξη ακτίνων Χ που συνοδεύεται από ραδιοσήματα, και αν και αόρατο στο μάτι, αποτελεί κλειδί για την κατανόηση του μηχανισμού του κεραυνού.
Προσομοιώσαμε τις ίδιες συνθήκες που έχουν καταγραφεί στο πεδίο και δώσαμε μια ολοκληρωμένη εξήγηση για τις ακτίνες Χ και τα ραδιοσήματα που εντοπίζονται μέσα στα καταιγιδοφόρα νέφη. Αποδείξαμε ότι τα ηλεκτρόνια, τα οποία επιταχύνονται από τα έντονα ηλεκτρικά πεδία, συγκρούονται με μόρια της ατμόσφαιρας και πυροδοτούν μια εκθετική αύξηση ηλεκτρονίων, που οδηγεί στην παραγωγή φωτονίων υψηλής ενέργειας και, τελικά, στον σχηματισμό κεραυνού.
Ο Zaid Pervez, διδακτορικός φοιτητής στην ηλεκτρολογία και μέλος της ερευνητικής ομάδας, χρησιμοποίησε το μοντέλο για να συγκρίνει τα αποτελέσματα της προσομοίωσης με παρατηρήσεις από άλλα επιστημονικά εγχειρήματα, τα οποία συλλέγουν δεδομένα μέσω επίγειων αισθητήρων, δορυφόρων και αεροσκαφών μεγάλου υψομέτρου. Ανάμεσά τους, καταγράφονται και αποκαλούμενες συμπαγείς εκφορτίσεις μεταξύ των νεφών, μικρής έκτασης κεραυνοί που εκδηλώνονται σε περιορισμένες περιοχές των νεφών και παρέχουν χρήσιμες πληροφορίες για το φαινόμενο.
Το μοντέλο, που ονομάζεται Photoelectric Feedback Discharge και είχε αρχικά παρουσιαστεί το 2023, παρέχει ένα πλήρες πλαίσιο για την κατανόηση των φυσικών συνθηκών κάτω από τις οποίες μπορεί να ξεκινήσει ένας κεραυνός. Οι εξισώσεις και τα δεδομένα του μοντέλου είναι δημόσια διαθέσιμα για περαιτέρω έρευνα και ανάλυση από την επιστημονική κοινότητα.
Ένα ακόμα σημαντικό εύρημα της μελέτης αφορά το γιατί συχνά οι επίγειες λάμψεις ακτίνων γάμμα δεν συνοδεύονται από ορατές αστραπές ή ισχυρά ραδιοσήματα, στοιχεία που συνήθως σχετίζονται με τις καταιγίδες. Όπως εξηγεί ο Pasko, η χιονοστιβάδα ηλεκτρονίων που δημιουργείται μπορεί να είναι τόσο συμπαγής και τοπική που, παρόλο που παράγει ακτίνες Χ σε ανιχνεύσιμα επίπεδα, οι οπτικές και ραδιοφωνικές εκπομπές της να παραμένουν ασθενείς ή και απούσες.
Αυτή η ανεξέλεγκτη αλυσιδωτή αντίδραση μπορεί να συμβεί σε πολύ μικρές περιοχές και με μεταβαλλόμενη ένταση. Αυτό εξηγεί γιατί ενίοτε εντοπίζουμε ακτίνες Χ από περιοχές του ουρανού που φαίνονται οπτικά "νεκρές" και δεν παράγουν ραδιοσήματα.
Με την αποκωδικοποίηση του τρόπου έναρξης του κεραυνού, η ομάδα του Penn State προσθέτει ένα κρίσιμο κομμάτι στο παζλ της κατανόησης της ατμοσφαιρικής φυσικής. Παράλληλα, ανοίγει τον δρόμο για νέες εφαρμογές σε τομείς όπως η πρόγνωση και αποτροπή κεραυνών, αλλά και η προστασία κρίσιμων υποδομών και αεροπλοΐας από τα ακραία αυτά φαινόμενα.
[via]
