Burza ma napięcie liczone w miliardach woltów. Znaleźli sposób, by je zmierzyć

Nie da się po prostu podłączyć woltomierza do dwóch końców chmury burzowej. Balony i samoloty mogą zmierzyć pole elektryczne w konkretnym miejscu, ale burza ma dziesiątki albo nawet niekiedy setki kilometrów kwadratowych i cały czas się zmienia. Fizycy znaleźli więc znacznie dziwniejszy miernik. Wykorzystują miony produkowane przez promieniowanie kosmiczne, które bez przerwy przelatują przez atmosferę. Jedna z obserwowanych w ten sposób burz osiągnęła potencjał około 1,3 gigawolta, czyli 1,3 mld V.

Eksperyment GRAPES-3 znajduje się w Ooty na południu Indii, około 2200 m nad poziomem morza. Powstał przede wszystkim po to, żeby badać promieniowanie kosmiczne, ale z czasem okazało się, że świetnie nadaje się również do zaglądania w chmury burzowe.

Promienie kosmiczne docierające do Ziemi to głównie wysokoenergetyczne protony. Kiedy uderzają w atmosferę, rozpoczynają całe kaskady zderzeń i tworzą kolejne cząstki. Jednym z produktów są miony, czyli ciężsi krewni elektronu, którzy żyją bardzo krótko, ale poruszają się na tyle szybko i łatwo przenikają materię, że duża ich część dociera aż do powierzchni.

O mionach pisaliśmy niedawno przy okazji ostatecznego wyniku eksperymentu Muon g-2. Przez nasze ciała również bez przerwy przelatują miony wytwarzane wysoko w atmosferze. W Ooty trafiają natomiast do znacznie większego celu.

Teleskop mionowy GRAPES-3 ma powierzchnię około 560 m kw. i rejestruje mniej więcej 4 mld mionów każdego dnia. Potrafi też określić kierunek, z którego nadlatują, dzieląc niebo na 169 obszarów.I właśnie w tych danych burze zostawiają bardzo wyraźny ślad.

Mion ma ładunek elektryczny. Istnieją miony dodatnie i ujemne, więc potężne pole wewnątrz chmury działa na nie w przeciwny sposób. W zależności od kierunku pola jedne cząstki są przyspieszane, a drugie tracą energię. Te osłabione mają mniejszą szansę przebić się przez atmosferę i dotrzeć do detektora na ziemi. Kiedy nad obserwatorium przechodzi silna burza, to liczba rejestrowanych mionów może nieznacznie się zmienić. Mówimy o zmianach rzędu pojedynczych procentów albo nawet ułamków procenta. Przy 4 mld cząstek dziennie to jednak sygnał, który da się bardzo dokładnie zmierzyć.

Zespół GRAPES-3 wykorzystuje później symulacje pokazujące, jak miony o różnych energiach powinny reagować na różnicę potencjałów w chmurze. Porównując model z rzeczywistym spadkiem albo wzrostem liczby cząstek, naukowcy mogą oszacować elektryczne właściwości burzy bez wysyłania do niej żadnego przyrządu. To zupełnie inna perspektywa niż klasyczne pomiary, bo balon meteorologiczny przecina chmurę jedną trasą, a miony spadają natomiast przez ogromną jej powierzchnię przez cały czas trwania burzy.

Chyba najbardziej widowiskowy wynik zespół uzyskał dla burzy, która przeszła nad Ooty 1 grudnia 2014 r. W opublikowanym wtedy badaniu fizycy oszacowali jej maksymalną różnicę potencjałów na około 1,3 GV, czyli 1,3 mld V. To nie oznacza, że pojedyncza błyskawica miała takie napięcie. Mowa o potencjale rozciągającym się przez dużą strukturę elektryczną wewnątrz chmury.

Burza obejmowała co najmniej 380 km kw., a jej charakterystyczny obszar znajdował się na wysokości około 11,4 km nad poziomem morza. Według obliczeń dojście do maksymalnego potencjału zajęło około sześciu minut, co oznaczało dostarczanie mocy wynoszącej co najmniej 2 GW.

Wcześniejsze bezpośrednie pomiary prowadzone z samolotów i balonów dochodziły do około 130 mln V. Różnica nie musi oznaczać jednak, że tamte instrumenty były niedokładne. Po prostu mierzyły wybrane fragmenty gigantycznej chmury, podczas gdy analiza mionów pozwala objąć znacznie większą strukturę. Już prawie sto lat temu fizyk Charles Thomson Rees Wilson przewidywał, że w chmurach mogą występować potencjały rzędu gigawoltów. GRAPES-3 dostarczył jednego z najmocniejszych obserwacyjnych argumentów, że faktycznie tak jest.

Metoda miała jednak dziwny problem. W latach 2011-2020 GRAPES-3 zarejestrował 487 zdarzeń związanych z burzami. Aż 81,5 proc. z nich pochodziło ze wschodniej części pola widzenia detektora, a tylko 13,7 proc. z zachodniej. Różnica była prawie sześciokrotna. Można byłoby pomyśleć, że lokalna pogoda po prostu preferuje jeden kierunek. Niezależne pomiary pola elektrycznego przy powierzchni pokazały jednak, że rzeczywiste burze nie mają aż tak wyraźnej asymetrii.

Naukowcy musieli więc znaleźć inne wyjaśnienie. W nowym badaniu zespół GRAPES-3 połączył dane z całej dekady z rozbudowanymi symulacjami CORSIKA. Wynik prowadzi daleko poza samą chmurę aż do ziemskiego pola magnetycznego.

Pierwotne promieniowanie kosmiczne jest naładowane, dlatego jeszcze przed wejściem w atmosferę jego trajektoria zostaje zakrzywiona przez pole magnetyczne Ziemi. Ponieważ większość pierwotnych cząstek to dodatnio naładowane protony, zjawisko nie jest symetryczne. Z różnych kierunków do atmosfery przedostaje się nieco inna populacja cząstek o różnych energiach. To właśnie przekłada się później na miony.

W kierunku wschodnim na jeden mion ujemny przypada około 1,37 mionu dodatniego. Na zachodzie stosunek wynosi około 1,14. Niby niewielka różnica, ale jak się okazuje dla pomiaru burzy ma kluczowe znaczenie. Gdyby dodatnich i ujemnych mionów było dokładnie tyle samo, pole burzowe przyspieszałoby jedną grupę i spowalniało drugą, a efekty w dużej mierze by się znosiły. Im większa przewaga jednego znaku, tym mocniejszą zmianę całkowitego strumienia widzi detektor.

GRAPES-3 jest więc po prostu znacznie bardziej czuły na burze znajdujące się po jednej stronie nieba. Symulacje potwierdziły to bardzo wyraźnie, bo po uwzględnieniu rzeczywistej zmienności stosunku mionów dodatnich do ujemnych pojawiała się niemal taka sama asymetria wschód-zachód jak w danych. Gdy badacze sztucznie ustawili jednakowy stosunek dla wszystkich kierunków, różnica znikała.

Nowa praca nie ustanawia więc kolejnego rekordu napięcia, lecz wyjaśnia, dlaczego GRAPES-3 był znacznie bardziej czuły na burze po jednej stronie nieba. To ważne, bo usuwa jeden z największych znaków zapytania nad metodą wykorzystującą miony do mierzenia gigantycznych potencjałów w chmurach. A takie pomiary są potrzebne, bo elektryczność burzowa nadal ma sporo tajemnic. Nie do końca rozumiemy, jak dokładnie w chmurze budują się tak wielkie różnice potencjałów i co decyduje o momencie rozpoczęcia wyładowania.

W czerwcu opisywaliśmy piorun, który zachował się jak naturalny akcelerator cząstek i wyprodukował błysk promieniowania gamma skierowany w stronę Ziemi. Takie obserwacje są bezpośrednio związane z pytaniem o to, jak silne pola potrafi wytworzyć burza i jak wpływają one na elektrony oraz inne naładowane cząstki. Sam piorun jest przy tym jedynie końcowym, najbardziej widowiskowym etapem znacznie większego procesu elektrycznego zachodzącego w chmurze.

Zobacz także:

GRAPES-3 pokazuje natomiast, że żeby zmierzyć elektryczność burzy, nie trzeba koniecznie pakować czujnika do samolotu i wlatywać w chmurę. Można po prostu poczekać, aż natura sama będzie bez przerwy przepuszczać przez nią miliardy naładowanych cząstek, a potem sprawdzić, co burza z nimi zrobiła.

*Źródło grafiki wprowadzającej: Orhan Namlı, Pexels / Licec, Getty Images, Canva Pro