Μια πρόσφατη επιστημονική έρευνα αποκαλύπτει νέα δεδομένα για ένα από τα πιο αινιγματικά φαινόμενα της φύσης: την απαρχή της αστραπής.
Ο καθηγητής Βίκτορ Πάσκο από το Πανεπιστήμιο Penn State και η ομάδα του κατάφεραν για πρώτη φορά να δώσουν μια σαφή και μετρήσιμη εξήγηση για τον τρόπο με τον οποίο δημιουργείται η αστραπή.
Όπως εξηγούν στη δημοσίευσή τους, τα ισχυρά ηλεκτρικά πεδία που αναπτύσσονται μέσα στα σύννεφα καταιγίδας επιταχύνουν ηλεκτρόνια, τα οποία συγκρούονται με μόρια όπως το άζωτο και το οξυγόνο. Αυτές οι συγκρούσεις παράγουν ακτίνες Χ και προκαλούν μια καταρρακτώδη «έκρηξη» πρόσθετων ηλεκτρονίων και φωτονίων υψηλής ενέργειας -ένα είδος φυσικού ντόμινο που οδηγεί τελικά στη δημιουργία κεραυνών.
«Τα ευρήματά μας συνδέουν ξεκάθαρα τα ηλεκτρικά πεδία, τις ακτίνες Χ και τη φυσική των ηλεκτρονικών χιονοστιβάδων», δήλωσε ο καθηγητής Πάσκο.
Για την έρευνα, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν μαθηματικά μοντέλα ώστε να επαληθεύσουν παρατηρήσεις στον πραγματικό κόσμο σχετικά με τα φωτοηλεκτρικά φαινόμενα που συμβαίνουν στην ατμόσφαιρα της Γης. Ειδικότερα, επικεντρώθηκαν σε περιστατικά όπου ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας — που εισέρχονται στην ατμόσφαιρα από το διάστημα μέσω κοσμικών ακτίνων — πολλαπλασιάζονται μέσα σε καταιγιδοφόρα ηλεκτρικά πεδία και παράγουν σύντομες εκρήξεις ακτίνων Χ και άλλων ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων.
Το φαινόμενο αυτό είναι γνωστό ως «γήινη έκλαμψη γάμα» (terrestrial gamma-ray flash) και περιλαμβάνει αόρατες, φυσικές εκπομπές ακτίνων Χ και παράλληλων ραδιοκυμάτων.
«Αναπαράγοντας με ακρίβεια τις συνθήκες που παρατηρήθηκαν στον φυσικό χώρο μέσα από το μοντέλο μας, καταφέραμε να εξηγήσουμε πλήρως γιατί παρατηρούνται ακτίνες Χ και ραδιοεκπομπές στα σύννεφα», σημείωσε ο Πάσκο.
Η ομάδα συνέκρινε το μοντέλο της με μετρήσεις από άλλες ερευνητικές ομάδες που συνέλεξαν δεδομένα μέσω αισθητήρων εδάφους, δορυφόρων και αεροσκαφών μεγάλης υψομετρικής πτήσης.
Ο συν-συγγραφέας της μελέτης, καθηγητής Pervez, πρόσθεσε: «Εξηγήσαμε πώς ξεκινούν τα φωτοηλεκτρικά γεγονότα, τι συνθήκες απαιτούνται στα σύννεφα για την έναρξη της χιονοστιβάδας ηλεκτρονίων και τι προκαλεί την ποικιλία ραδιοσημάτων που παρατηρούνται πριν από κάθε κεραυνό».
Το μοντέλο τους, γνωστό ως photoelectric feedback discharge, αναπαριστά με ακρίβεια τις φυσικές συνθήκες υπό τις οποίες μπορεί να ξεκινήσει μια αστραπή. Οι εξισώσεις του μοντέλου είναι διαθέσιμες στο άρθρο για χρήση από άλλους ερευνητές.
Επιπλέον, η μελέτη εξηγεί γιατί πολλές φορές καταγράφονται γήινες εκλάμψεις γάμα χωρίς ορατά φώτα ή ραδιοκύματα — δηλαδή χωρίς τα «παραδοσιακά» σημάδια μιας αστραπής.
«Στο μοντέλο μας, οι ακτίνες Χ που παράγονται από τις χιονοστιβάδες ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας δημιουργούν νέα ηλεκτρόνια μέσω του φωτοηλεκτρικού φαινομένου στον αέρα, ενισχύοντας ραγδαία την αντίδραση», εξηγεί ο καθηγητής Πάσκο.
«Αυτό εξηγεί γιατί οι εκλάμψεις γάμα μπορούν να προέλθουν από περιοχές των σύννεφων που φαίνονται οπτικά “ήσυχες” και χωρίς ραδιοσήματα».
Η μελέτη δημοσιεύτηκε στο επιστημονικό περιοδικό Journal of Geophysical Research: Atmospheres.
