Blixt på jorden framkallas av en kraftfull kedjereaktion från yttre rymden, visar Simulations Show
Energin som behövs för åskväder kan komma från ett lavin av elektroner som ympas av utomjordiska kosmiska strålaren ny studie hävdar.
Forskare visste redan att blixtnedslag är en elektrisk urladdning mellan åska och jordens yta, men exakt hur stormmoln får ett elektriskt fält som är tillräckligt kraftfullt för att slänga en bult har förblivit ett mysterium i århundraden.
Nu har en ny studie använt datormodeller för att avslöja att blixtnedslagen slår till ett kraftfullt kedjereaktion som börjar i det yttre rymden. Forskarna publicerade sina resultat 28 juli i Journal of Geophysical Research: Atmospheres.
”Våra resultat ger den första exakta, kvantitativa förklaringen till hur blixtinitierar i naturen,” studie huvudförfattare Victor Paskoprofessor i elektroteknik i Penn State School of Electrical Engineering and Computer Science, sa i ett uttalande. ”Det förbinder prickarna mellan röntgenstrålar, elektriska fält och fysiken i elektronflattor.”
Lightnings elektriska natur bekräftades berömt av Benjamin Franklin 1752. Franklins ikoniska, dock ofta felaktigtExperiment involverade att flyga en drake som fästs på en 1 fot lång (0,3 meter) tråd i ena änden och en garnsträng fäst vid en nyckel med den andra, som Franklin hade med ett sidenband. När en storm anlände blev draken elektrifierad och garn blev våt, så att en liten gnista hoppade från nyckeln till hans utsträckta finger.
Trots denna upptäckt visar data registrerade av plan och väderballonger att det elektriska fältet som behövs för att elektroner ska kaskad ner till jorden är cirka tio gånger större än den som faktiskt uppmätt inuti stormmoln.
Släkt: ’Killer Electrons’ spelar pinball med rymdväder runt jorden
Det finns två konkurrerande teorier för att förklara hur blixtnedslag faktiskt inträffar. Den första, atmosfäriska statiska elektriciteten, säger att friktionen mellan isklumpar i stormmoln skiljer negativt laddade elektroner från atomervilket får dem att samla tills de joniserar partiklar i atmosfären under dem och frigör tillräckligt med elektroner för att tävla till marken längs flera gafflingsvägar.
I den andra teorin uppnås denna initiala jonisering med kosmiska strålar-subatomiska partiklar med hög energi (mestadels protoner) från yttre rymden som slår den övre atmosfären. Dessa strålar kommer från solen; Stellar explosioner kallade Supernovas; snabbt snurrande neutronstjärnor som kallas pulsars; och andra, okända källor. När de kosmiska partiklarna slår atmosfären skapar de en språng nedbrytning av elektroner som slutar i en mark-slående kaskad.
I den nya studien samlade forskarna data från markbaserade sensorer, satelliter och höghöjd spionplan och matchade informationen till en matematisk modell som simulerade förhållandena i ett stormmoln före en strejk.
Modellens simuleringar stödde den kosmiska strålteorin, vilket visade att elektroner producerade av höghastighetsprotoner accelererade längs elektriska fältlinjer och multiplicerade när de slog molekyler i atmosfären, såsom kväve och syre. Detta leder till ett lavin av elektroner som producerar de högenergiska fotonerna som initierar blixtar, säger forskarna.
Påfallande förklarar modellen också varför blinkningar av gammastrålar-fotoner med hög energi-och röntgenstrålar inträffar innan blixtnedslag.
”I vår modellering genererar de högenergiska röntgenstrålarna som produceras av relativistiska elektronflattor nya fröelektroner som drivs av den fotoelektriska effekten i luften, vilket snabbt förstärker dessa laviner,” sade Pasko. ”Förutom att de produceras i mycket kompakta volymer, kan denna flyktiga kedjereaktion uppstå med mycket varierande styrka, vilket ofta leder till detekterbara nivåer av röntgenstrålar, medan de åtföljs av mycket svaga optiska och radioutsläpp. Detta förklarar varför dessa gammastrålningsblinkar kan komma ut från källregioner som verkar optiskt dimma och radio.”
