Αν και οι επιστήμονες έχουν κατανοήσει εδώ και χρόνια τη διαδικασία με την οποία “χτυπούν” οι κεραυνοί τα ακριβή ατμοσφαιρικά γεγονότα που τον πυροδοτούν μέσα στα καταιγιδοφόρα σύννεφα παρέμεναν ένα μυστήριο

Το μυστήριο μπορεί να λυθεί, χάρη σε μια ομάδα ερευνητών με επικεφαλής τον Βίκτορ Πάσκο , καθηγητή ηλεκτρολόγου μηχανικού στη Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Επιστήμης Υπολογιστών του Πανεπιστημίου της Πενσυλβάνια, η οποία αποκάλυψε την ισχυρή αλυσιδωτή αντίδραση που πυροδοτεί τον κεραυνό.

Στη μελέτη που δημοσιεύθηκε σήμερα (28 Ιουλίου) στο Journal of Geophysical Research , οι συγγραφείς περιέγραψαν πώς διαπίστωσαν ότι ισχυρά ηλεκτρικά πεδία σε καταιγιδοφόρα σύννεφα επιταχύνουν ηλεκτρόνια που συγκρούονται με μόρια όπως το άζωτο και το οξυγόνο, παράγοντας ακτίνες Χ και ξεκινώντας έναν καταιγισμό επιπλέον ηλεκτρονίων και φωτονίων υψηλής ενέργειας – την τέλεια καταιγίδα από την οποία γεννιούνται οι κεραυνοί.

«Τα ευρήματά μας παρέχουν την πρώτη ακριβή, ποσοτική εξήγηση για το πώς ξεκινούν οι κεραυνοί στη φύση», είπε ο Πάσκο. «Συνδέει τις κουκκίδες μεταξύ των ακτίνων Χ, των ηλεκτρικών πεδίων και της φυσικής των ηλεκτρονιακών χιονοστιβάδων».

Η ομάδα χρησιμοποίησε μαθηματική μοντελοποίηση για να επιβεβαιώσει και να εξηγήσει παρατηρήσεις πεδίου φωτοηλεκτρικών φαινομένων στην ατμόσφαιρα της Γης — όταν τα σχετικιστικά ηλεκτρόνια ενέργειας, τα οποία εκτοξεύονται από κοσμικές ακτίνες που εισέρχονται στην ατμόσφαιρα από το διάστημα, πολλαπλασιάζονται σε ηλεκτρικά πεδία καταιγίδων και εκπέμπουν σύντομες εκρήξεις φωτονίων υψηλής ενέργειας. Αυτό το φαινόμενο, γνωστό ως επίγεια λάμψη ακτίνων γάμμα, περιλαμβάνει τις αόρατες, φυσικές εκρήξεις ακτίνων Χ και τις συνοδευτικές ραδιοεκπομπές.

Ένα πορτρέτο δύο ατόμων σε εσωτερικό χώρο.
Ο Βίκτορ Πάσκο, αριστερά, καθηγητής ηλεκτρολόγων μηχανικών στη Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Επιστήμης Υπολογιστών του Penn State, και ο Ζάιντ Περβέζ, διδακτορικός φοιτητής ηλεκτρολόγων μηχανικών, αποκάλυψαν την ισχυρή αλυσιδωτή αντίδραση που πυροδοτεί τους κεραυνούς. Πίστωση: Caleb Craig / Penn State . Creative Commons

«Προσομοιώνοντας συνθήκες με το μοντέλο μας που αναπαρήγαγε τις συνθήκες που παρατηρήθηκαν στο πεδίο, προσφέραμε μια πλήρη εξήγηση για τις ακτίνες Χ και τις ραδιοεκπομπές που υπάρχουν μέσα στα καταιγιδοφόρα σύννεφα», δήλωσε ο Πάσκο. «Δείξαμε πώς τα ηλεκτρόνια, που επιταχύνονται από ισχυρά ηλεκτρικά πεδία στα καταιγιδοφόρα σύννεφα, παράγουν ακτίνες Χ καθώς συγκρούονται με μόρια αέρα όπως το άζωτο και το οξυγόνο, και δημιουργούν μια χιονοστιβάδα ηλεκτρονίων που παράγουν φωτόνια υψηλής ενέργειας που πυροδοτούν κεραυνούς».

Ο Ζάιντ Περβέζ, διδακτορικός φοιτητής ηλεκτρολόγος μηχανικός, χρησιμοποίησε το μοντέλο για να αντιστοιχίσει παρατηρήσεις πεδίου — που συλλέχθηκαν από άλλες ερευνητικές ομάδες χρησιμοποιώντας επίγειους αισθητήρες, δορυφόρους και κατασκοπευτικά αεροσκάφη μεγάλου υψομέτρου — με τις συνθήκες στα προσομοιωμένα καταιγιδοφόρα σύννεφα.

«Εξηγήσαμε πώς συμβαίνουν τα φωτοηλεκτρικά φαινόμενα, ποιες συνθήκες πρέπει να υπάρχουν στα καταιγιδοφόρα σύννεφα για να ξεκινήσει η καταρράκτης ηλεκτρονίων και τι προκαλεί την μεγάλη ποικιλία ραδιοσημάτων που παρατηρούμε στα σύννεφα, όλα πριν από ένα χτύπημα κεραυνού», είπε ο Pervez. «Για να επιβεβαιώσω την εξήγησή μας σχετικά με την έναρξη του κεραυνού, συνέκρινα τα αποτελέσματά μας με προηγούμενες μελέτες μοντελοποίησης, παρατηρήσεων και τη δική μου εργασία σε έναν τύπο κεραυνού που ονομάζεται συμπαγείς εκκενώσεις μεταξύ των νεφών, οι οποίες συνήθως συμβαίνουν σε μικρές, εντοπισμένες περιοχές στα καταιγιδοφόρα σύννεφα».

Το μοντέλο, με τίτλο Photoelectric Feedback Discharge (Φωτοηλεκτρική Εκκένωση Ανάδρασης) , που δημοσιεύτηκε από τον Pasko και τους συνεργάτες του το 2023, προσομοιώνει φυσικές συνθήκες στις οποίες είναι πιθανό να προκύψει ένας κεραυνός. Οι εξισώσεις που χρησιμοποιήθηκαν για τη δημιουργία του μοντέλου είναι διαθέσιμες στην εργασία για να τις χρησιμοποιήσουν και άλλοι ερευνητές στη δική τους εργασία.

Εκτός από την αποκάλυψη της έναρξης κεραυνών, οι ερευνητές εξήγησαν γιατί οι επίγειες λάμψεις ακτίνων γάμμα παράγονται συχνά χωρίς λάμψεις φωτός και ραδιοεκρήξεις, οι οποίες είναι γνωστές υπογραφές κεραυνών κατά τη διάρκεια θυελλώδους καιρού.

«Στη μοντελοποίησή μας, οι ακτίνες Χ υψηλής ενέργειας που παράγονται από τις σχετικιστικές χιονοστιβάδες ηλεκτρονίων δημιουργούν νέα ηλεκτρόνια-σπόρους που οδηγούνται από το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο στον αέρα, ενισχύοντας γρήγορα αυτές τις χιονοστιβάδες», δήλωσε ο Πάσκο. «Εκτός από το ότι παράγεται σε πολύ συμπαγείς όγκους, αυτή η αλυσιδωτή αντίδραση μπορεί να συμβεί με εξαιρετικά μεταβλητή ένταση, οδηγώντας συχνά σε ανιχνεύσιμα επίπεδα ακτίνων Χ, ενώ συνοδεύεται από πολύ ασθενείς οπτικές και ραδιοεκπομπές. Αυτό εξηγεί γιατί αυτές οι λάμψεις ακτίνων γάμμα μπορούν να προκύψουν από περιοχές πηγής που φαίνονται οπτικά αμυδρές και ραδιοφωνικά σιωπηλές».

Εκτός από τους Pasko και Pervez, οι συν-συγγραφείς περιλαμβάνουν τους Sebastien Celestin, καθηγητή φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Ορλεάνης στη Γαλλία, Anne Bourdon, διευθύντρια έρευνας στην École Polytechnique στη Γαλλία, Reza Janalizadeh, επιστήμονα ιονόσφαιρας στο NASA Goddard Space Flight Center και πρώην μεταδιδακτορικό υπότροφο υπό τον Pasko στο Penn State, Jaroslav Jansky, επίκουρο καθηγητή ηλεκτρολογίας και επικοινωνιών στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο του Μπρνο στην Τσεχική Δημοκρατία, και Pierre Gourbin, μεταδιδακτορικό υπότροφο αστροφυσικής και ατμοσφαιρικής φυσικής στο Τεχνικό Πανεπιστήμιο της Δανίας.

Το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών των ΗΠΑ, το Εθνικό Κέντρο Σπουδών Χωρικής Επιστήμης (CNES), το Πανεπιστημιακό Ινστιτούτο της Γαλλίας και το Υπουργείο Άμυνας της Τσεχικής Δημοκρατίας υποστήριξαν αυτήν την έρευνα.