Kiedy Benjamin Franklin przywiązał klucz do latawca i wrzucił go do burzy z piorunami, na krótko stał się urządzeniem podłączonym do najsilniejszego generatora prądu na Ziemi.
Franklin wiedział, jak większość ludzi, że burze są niezwykle potężne. Naukowcy próbowali dokładnie oszacować w jaki sposób potężne od ponad wieku, ale zawsze były krótkie - nawet najbardziej wyrafinowane czujniki powietrzne są nieodpowiednie, ponieważ chmury burzowe są po prostu zbyt duże i nieprzewidywalne do zmierzenia.
Teraz, w artykule opublikowanym 15 marca w czasopiśmie Physical Review Letters, badacze z Ooty w Indiach znaleźli szokującą nową odpowiedź - dzięki niewielkiej pomocy niektórych promieni kosmicznych.
Korzystając z szeregu czujników zaprojektowanych do pomiaru pól elektrycznych i natężenia mionów - ciężkich cząstek, które stale opadają z górnej atmosfery Ziemi, gnijąc podczas przechodzenia przez materię - zespół zmierzył napięcie dużej chmury burzowej, która przetoczyła się nad Ooty przez 18 minut 1 grudnia 2014 r. Naukowcy odkryli, że chmura została naładowana średnio około 1,3 gigawolta energii elektrycznej, co stanowi 1,3 razy 10 ^ 9 woltów - około 10 milionów razy więcej napięcia niż jest dostarczane przez typowe gniazdko elektryczne w Ameryka północna.
„To wyjaśnia, dlaczego chmury burzowe są tak destrukcyjne” - powiedział Live Science współautor badania Sunil Gupta, badacz promieni kosmicznych w indyjskim Tata Institute of Fundamental Research. „Jeśli rozproszysz tę ogromną ilość energii przez cokolwiek, spowoduje to poważne spustoszenie”.
Pada miony
Gupta i jego koledzy badają przede wszystkim miony - cząstki podobne do elektronu, które powstają, gdy promienie kosmiczne uderzają w różne atomy w ziemskiej atmosferze. Cząstki te mają około połowy obrotu elektronów, ale 200 razy większą niż masa i są bardzo dobre w przenikaniu materii. Mion padający z atmosfery może podróżować głęboko do oceanu lub mil pod ziemią w ułamku sekundy, o ile ma wystarczającą ilość energii.
Miony tracą energię, gdy coś im przeszkadza - na przykład piramida. Na początku 2018 r. Naukowcy odkryli dwie nieznane wcześniej komory w Wielkiej Piramidzie w Gizie, ustawiając detektory mionów wokół struktury i mierząc, gdzie cząstki straciły (i nie straciły) energię. Miony przechodzące przez kamienne ściany piramidy straciły więcej energii niż miony przechodzące przez duże, puste komory. Wyniki pozwoliły naukowcom stworzyć nową mapę wnętrza piramidy bez stawiania w niej stóp.
Gupta i jego koledzy zastosowali podobną metodę do mapowania energii wewnątrz chmury burzowej Ooty. Jednak zamiast walczyć z kamieniem miony spadające przez chmurę napotykały burzliwe pole elektryczne.
„Burze mają dodatnio naładowaną warstwę na górze i ujemnie naładowaną warstwę na dole”, powiedział Gupta. „Jeśli dodatnio naładowany mion uderzy w chmurę, gdy spadnie z górnej atmosfery, zostanie odparty i straci energię.”
Korzystając z szeregu czujników wykrywających miony i czterech monitorów pola elektrycznego rozmieszczonych na kilku milach, naukowcy zmierzyli średni spadek energii między mionami przechodzącymi przez chmurę burzową a tymi, które przez nią nie przeszły. Na podstawie tej straty energii zespół był w stanie obliczyć, ile potencjału elektrycznego przechodziły cząsteczki w chmurze grzmotu.
To było ogromne.
„Naukowcy oszacowali, że chmury burzowe mogą mieć potencjał gigavolt w latach dwudziestych XX wieku”, powiedział Gupta, „ale nigdy nie udowodniono tego - aż do teraz”.
Mapowanie grzmotu
Gdy naukowcy poznali potencjał elektryczny chmury, chcieli pójść o krok dalej i dokładnie zmierzyć moc, jaką chmura burzowa niosła, gdy ryczał nad Ooty.
Korzystając z danych z szeroko rozproszonych monitorów pola elektrycznego, zespół podał kilka ważnych szczegółów na temat chmury - która podróżowała z prędkością około 40 mil / h (60 km / h) na wysokości 7 mil (11,4 km) nad poziomem morza, miał szacunkową powierzchnię 146 mil kwadratowych (380 km kwadratowych, obszar około sześć razy większy niż Manhattan), a maksymalny potencjał elektryczny osiągnął zaledwie 6 minut po pojawieniu się.
Uzbrojeni w tę wiedzę naukowcy byli w stanie obliczyć, że burza przyniosła około 2 gigawatów mocy, co czyni tę pojedynczą chmurę potężniejszą niż najpotężniejsze elektrownie jądrowe na świecie, powiedział Gupta.
„Ilość zgromadzonej tutaj energii wystarcza na zaspokojenie wszystkich potrzeb energetycznych miasta takiego jak Nowy Jork przez 26 minut”, powiedział Gupta. „Jeśli możesz to wykorzystać. ”
Przy obecnej technologii jest to mało prawdopodobna perspektywa, zauważył Gupta: ilość energii rozproszonej przez taką burzę jest tak duża, że prawdopodobnie stopiłaby dowolny przewodnik.
Mimo to niezwykle potężny potencjał burz może pomóc rozwiązać kosmiczną tajemnicę, o którą naukowcy tacy jak Gupta i jego koledzy pytali przez dziesięciolecia: Dlaczego satelity czasami wykrywają wysokoenergetyczne promienie gamma wystrzeliwujące z ziemskiej atmosfery, kiedy powinny padać z kosmosu ?
Według Gupty, jeśli burze rzeczywiście mogą wytworzyć potencjał elektryczny większy niż jeden gigawolt, mogą również przyspieszyć elektrony wystarczająco szybko, aby rozbić inne atomy w atmosferze, wytwarzając błyski promieniowania gamma.
To wyjaśnienie wymaga dalszych badań w celu zweryfikowania jego dokładności, powiedział Gupta. Tymczasem koniecznie podziwiaj kolejną chmurę burz, którą widzisz, ponieważ jest to niesamowicie potężna siła natury - i proszę, pomyśl dwa razy, zanim puścisz latawiec.
