To promieniowanie kosmiczne inicjuje powstawanie piorunów na Ziemi

Naukowcy z Narodowego Laboratorium w Los Alamos (USA) dokonali przełomowego odkrycia, które może rozwiązać wielowiekową zagadkę powstawania piorunów. Badacze znaleźli dowody łączące inicjację wyładowań atmosferycznych w burzach z kaskadami promieni kosmicznych.

Przez stulecia mechanizm powstawania piorunów pozostawał jedną z niewyjaśnionych tajemnic natury. Zespół badawczy pod kierownictwem starszego naukowca Xuan-Min Shao z Laboratorium Los Alamos w Nowym Meksyku wykorzystał specjalnie skonstruowane urządzenie o nazwie "BIMAP-3D" do badania początkowych etapów formowania się piorunów.

System, składający się z układu 8 anten, pozwolił na tworzenie trójwymiarowych obrazów piorunów i precyzyjne lokalizowanie wyładowań wewnątrz chmur burzowych. Badania skupiły się na początkowej fazie pioruna, znanej jako pozytywne szybkie wyładowanie (+FD), które stanowi pierwszy etap formowania się błyskawicy.

Naukowcy zaobserwowali, że po tym pozytywnym wyładowaniu często następuje jeszcze szybsze i bardziej rozległe wyładowanie negatywne (−FD), które, co intrygujące, propaguje się wstecz, poza początkowy punkt powstania. Analiza danych polaryzacyjnych wykazała, że sygnały były systematycznie nachylone i obracały się, co stało w sprzeczności z istniejącymi teoriami, które przewidywały, że polaryzacja powinna być prosto dopasowana do ścieżek piorunów i lokalnych pól elektrycznych.

Próbując wyjaśnić te nieoczekiwane wyniki, zespół badawczy doszedł do wniosku, że kaskady promieni kosmicznych - wysokoenergetyczne cząstki stale wpadające do ziemskiej atmosfery z przestrzeni kosmicznej - tworzą wstępnie zjonizowane ścieżki w chmurach burzowych. Te "przygotowane" ścieżki umożliwiają i ukierunkowują późniejsze wyładowania piorunów.

"Uważamy, że większość wyładowań piorunów w burzach jest inicjowana przez kaskady promieni kosmicznych" - stwierdził Xuan-Min Shao.

Co ciekawe, kaskady promieni kosmicznych zawierają zarówno antymaterię (pozytony), jak i zwykłe elektrony. Trójwymiarowe mapy piorunów wykonane w Los Alamos wykazały silne dowody na obecność pozytonów. Ponieważ elektrony i pozytony są odchylane w przeciwnych kierunkach przez ziemskie pole magnetyczne, pozostawiają przeciwne ślady w polaryzacji pioruna, co również zostało zmierzone przez BIMAP-3D.

Wysokoenergetyczne pozytony i elektrony są odchylane przez pola elektryczne i geomagnetyczne, co prowadzi do nachylonych prądów wyładowania i odpowiadającej im nachylonej polaryzacji. Ponieważ pozytony i elektrony są odchylane w różny sposób w polach elektromagnetycznych, wpływają na dwa przeciwne wyładowania w różny sposób, co wyjaśnia rotację polaryzacji obserwowaną między nimi.

Mechanizm ten może również wyjaśnić przypadki, w których występuje tylko szybkie pozytywne wyładowanie, co tłumaczy inicjację większości błyskawic.

"Zajęło mi trochę czasu, aby to rozpracować" - przyznał Shao. "Na początku uwzględniałem tylko elektrony, ale nie mogłem wyjaśnić obserwacji. Gdy uwzględniłem zarówno elektrony, jak i pozytony, wszystkie obserwacje można było spójnie wyjaśnić."

Nie jest jeszcze jasne, jaka część ziemskich piorunów jest inicjowana przez promienie kosmiczne. Aby zwiększyć statystyczną pewność, należy przebadać więcej burz przy użyciu tej metody. "Będzie to wymagało wielu długoterminowych danych o piorunach o dobrej jakości" - dodał Shao.

To przełomowe odkrycie nie tylko rozwiązuje wielowiekową zagadkę, ale również otwiera nowe możliwości w badaniach zjawisk atmosferycznych i ich powiązań z procesami kosmicznymi.