Naukowcy odkryli, że burze z piorunami wytwarzają radioaktywność

W tym artykule:

1. Już ponad sto lat temu podejrzewano że coś jest na rzeczy
2. Pogoń za neutronami
3. Nowe podejście

Już ponad sto lat temu podejrzewano że coś jest na rzeczy

To może brzmieć jak fabuła przebojowej katastrofy science fiction. W rzeczywistości jednak nie ma się czym przejmować. Od początku XX wieku naukowcy są świadomi promieniowania jonizującego - cząsteczek i fal elektromagnetycznych - padającego z kosmosu na atmosferę ziemską. Promieniowanie to może reagować z atomami lub cząsteczkami, niosąc ze sobą energię wystarczającą do uwolnienia elektronów z atomów lub cząsteczek. Pozostawia więc po sobie jon o dodatnim ładunku elektrycznym.

Nieco ponad sto lat temu austriacki fizyk Victor Hess dokonał pomiarów jonizacji w balonie na gorące powietrze pięć kilometrów nad powierzchnią Ziemi. Zauważył on, że stopień jonizacji gwałtownie wzrasta wraz z wysokością, co jest przeciwieństwem tego, czego można by się spodziewać, gdyby źródło promieniowania jonizującego pochodziło z Ziemi. Hess doszedł więc do wniosku, że wysoko w atmosferze musi znajdować się źródło promieniowania o bardzo dużej mocy przenikania. Za odkrycie, tego co zostało nazwane później „promieniami kosmicznymi", otrzymał w 1936 r. Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.

Obecnie wiemy, że promienie kosmiczne składają się z naładowanych cząstek: przede wszystkim elektronów, jąder atomowych i protonów - te ostatnie tworzą jądro wraz z neutronami. Niektóre z nich pochodzą ze Słońca, podczas gdy inne, z odległych eksplozji martwych gwiazd w naszej galaktyce, znanych jako supernowe. Kiedy te promienie kosmiczne dostają się do atmosfery Ziemi, oddziałują z atomami i cząsteczkami, wytwarzając strumień cząstek subatomowych. Wśród nich są neutrony, które nie mają ładunku elektrycznego. W ten sposób promienie kosmiczne są odpowiedzialne za reakcje jądrowe w atmosferze Ziemi. Do dziś sądziliśmy, że jest to np. jedyny naturalny kanał produkujący pierwiastki radioaktywne takie jak węgiel 14C. Słowo „jądrowy", tak złowieszcze w połączeniu z „bombą" lub „odpadami", odnosi się tutaj po prostu do zmian, jakie zachodzą w jądrze atomowym.

Pogoń za neutronami

Prawie sto lat temu znany szkocki fizyk i meteorolog Charles Wilson zaproponował, że burze z piorunami mogą również wywoływać reakcje jądrowe w atmosferze. Wilson, który prowadził badania terenowe w odizolowanym obserwatorium meteorologicznym na szczycie Ben Nevis, najwyższej góry Wielkiej Brytanii, był zafascynowany tworzeniem się chmur i elektrycznością atmosferyczną. Jednak jego sugestia wyprzedziła odkrycie neutronów - jednego z charakterystycznych produktów reakcji jądrowych - o siedem lat, więc jego teza nie mogła zostać przetestowana.

Od czasów Wilsona przeprowadzono wiele badań, w których twierdzono, że wykryto neutrony wytwarzane przez burze, ale żadne z nich nie okazało się ostateczne i bezsprzeczne. Inni poszukiwali energetycznego promieniowania elektromagnetycznego (promieni X i gamma) towarzyszącego lawinie wysokoenergetycznych elektronów, które jak wiemy, są produkowane przez wyładowania atmosferyczne w chmurach burzowych. Obliczenia pokazują, że te elektrony i promienie gamma mogą wybijać neutrony z atomów azotu i tlenu w atmosferze. Jednak mimo że promieniowanie rentgenowskie i gamma zostało zaobserwowane, nigdy nie udało się bezpośrednio zaobserwować reakcji jądrowych zachodzących w burzy.

Nowe podejście

W nowym badaniu zastosowano inne podejście. Zamiast szukać nieuchwytnych neutronów, autorzy opierają się na innych produktach ubocznych reakcji jądrowych. Jeśli elektrony i promieniowanie gamma powodują, że w wyniku reakcji jądrowych po uderzeniu pioruna powstają niestabilne izotopy azotu i tlenu, to po kilku minutach powinny one rozpadać się tworząc stabilne izotopy węgla i azotu. Co istotne, w wyniku tego rozpadu powstaje cząstka zwana „pozytonem". Wszystkie cząstki posiadają swoje wersje antymaterii - mają one taką samą masę, ale przeciwny ładunek. Kiedy antymateria i materia stykają się ze sobą, anihilują się nawzajem w błysku energii. To właśnie tej energii poszukiwali badacze. Używając detektorów promieniowania nad Morzem Japońskim, zaobserwowali oni jednoznaczne ślady promieniowania gamma anihilacji pozytonowo-elektronowej zachodzącej bezpośrednio po uderzeniach piorunów w niskie zimowe chmury burzowe. Jest to wyraźny dowód na reakcje jądrowe zachodzące w chmurach burzowych.

Wyniki te są ważne, ponieważ wskazują na nieznane wcześniej źródło izotopów w atmosferze ziemskiej. Należą do nich węgiel C13, C14 i azot N15, ale przyszłe badania mogą ujawnić także inne, takie jak izotopy wodoru, helu i berylu. Wyniki badań mają również implikacje dla astronomów i naukowców zajmujących się planetami. Inne planety w naszym układzie słonecznym posiadają burze w swoich atmosferach, które mogą wpływać na skład ich atmosfer. Jedną z takich planet jest Jowisz, który w starożytnej mitologii rzymskiej jest... bogiem gromów.

1 z 2

piorun

2 z 2

piorun 1