Indyjski detektor mionów zmierzył napięcie burzy na 1,3 miliarda woltów

Zmierzenie napięcia elektrycznego całej chmury burzowej za pomocą zwykłego przyrządu jest niewykonalne. Balony pogodowe i samoloty badawcze dają jedynie wycinkowy obraz pola elektrycznego w jednym punkcie, podczas gdy sama burza może rozciągać się na dziesiątki, a czasem setki kilometrów kwadratowych i nieustannie zmienia swoją strukturę. Dlatego fizycy postawili na zupełnie inne rozwiązanie - obserwację mionów, cząstek powstających w atmosferze pod wpływem promieniowania kosmicznego. Dzięki tej metodzie jedną z badanych burz oceniono na potencjał sięgający około 1,3 gigawolta, czyli 1,3 miliarda woltów.

Miliardy cząstek dziennie przelatują przez detektor

W Ooty, na południu Indii, na wysokości około 2200 metrów nad poziomem morza działa eksperyment GRAPES-3. Jego pierwotnym celem było badanie promieniowania kosmicznego, jednak z czasem naukowcy odkryli, że instrument równie dobrze nadaje się do analizowania zjawisk zachodzących w chmurach burzowych.

Promienie kosmiczne docierające do naszej planety to w większości wysokoenergetyczne protony. Po zderzeniu z atmosferą wywołują serię kolejnych kolizji, w wyniku których powstają nowe cząstki - między innymi miony, cięższe odpowiedniki elektronów. Żyją one bardzo krótko, ale przemieszczają się z dużą prędkością i łatwo przenikają przez materię, dzięki czemu znaczna ich część dolatuje aż do powierzchni Ziemi.

Temat mionów pojawił się już wcześniej przy okazji finalnych wyników eksperymentu Muon g-2 - cząstki te stale przenikają także przez ludzkie ciała. W Ooty trafiają jednak na znacznie większy, dedykowany cel pomiarowy.

Teleskop mionowy GRAPES-3 zajmuje powierzchnię około 560 metrów kwadratowych i codziennie wykrywa około 4 miliardów mionów. Urządzenie jest też w stanie określić, z którego kierunku nadlatuje cząstka, dzieląc niebo na 169 odrębnych obszarów. To właśnie w tych danych burze zapisują swój charakterystyczny sygnał.

Chmura zmienia energię przelatujących mionów

Miony niosą ładunek elektryczny - występują w wersji dodatniej i ujemnej, więc silne pole elektryczne panujące wewnątrz chmury burzowej działa na nie odwrotnie. Zależnie od kierunku tego pola jedna grupa cząstek przyspiesza, a druga zwalnia. Te, które tracą energię, mają mniejsze szanse przebić się przez atmosferę i dotrzeć do detektora na powierzchni. W efekcie przejście intensywnej burzy nad obserwatorium powoduje niewielką zmianę liczby zarejestrowanych mionów - rzędu pojedynczych procentów, a nawet ich ułamków. Przy dziennej liczbie 4 miliardów cząstek taki sygnał można jednak zmierzyć z dużą precyzją.

Naukowcy z zespołu GRAPES-3 posługują się symulacjami, które pokazują, jak miony o różnych energiach powinny reagować na konkretną różnicę potencjałów panującą w chmurze. Zestawiając model z rzeczywistym wzrostem lub spadkiem liczby rejestrowanych cząstek, można oszacować parametry elektryczne burzy bez wprowadzania do niej żadnego urządzenia pomiarowego. To podejście różni się zasadniczo od klasycznych metod - balon meteorologiczny przebija chmurę wzdłuż jednej trasy, a miony opadają przez całą jej rozległą powierzchnię przez cały czas trwania zjawiska.

Jedna burza osiągnęła 1,3 mld V

Szczególnie spektakularny wynik zespół uzyskał dla burzy, która przeszła nad Ooty 1 grudnia 2014 roku. W publikacji opisującej to zdarzenie fizycy oszacowali jej maksymalną różnicę potencjałów na około 1,3 GV, czyli 1,3 miliarda woltów. Nie oznacza to, że takim napięciem charakteryzowało się pojedyncze wyładowanie błyskawicy - mowa o potencjale rozłożonym na dużą strukturę elektryczną wewnątrz samej chmury.

Burza zajmowała obszar co najmniej 380 kilometrów kwadratowych, a jej kluczowa część znajdowała się na wysokości około 11,4 kilometra nad poziomem morza. Obliczenia wskazują, że osiągnięcie maksymalnego potencjału zajęło około sześciu minut, co odpowiada mocy na poziomie przynajmniej 2 GW.

Dotychczasowe pomiary prowadzone bezpośrednio z pokładów samolotów i balonów dawały wyniki rzędu około 130 milionów woltów. Ta rozbieżność nie świadczy jednak o niedokładności wcześniejszych instrumentów - po prostu obejmowały one tylko fragmenty ogromnej chmury, natomiast analiza mionów pozwala uchwycić znacznie większą strukturę. Niemal sto lat temu fizyk Charles Thomson Rees Wilson zakładał, że w chmurach burzowych mogą pojawiać się potencjały rzędu gigawoltów. Wyniki GRAPES-3 to jeden z najsilniejszych dotychczasowych dowodów obserwacyjnych na poparcie tej tezy.

Tylko dlaczego burze niemal zawsze przychodziły ze wschodu?

Metoda ta kryła jednak w sobie zagadkę. W okresie od 2011 do 2020 roku detektor GRAPES-3 odnotował 487 zdarzeń związanych z burzami. Zdecydowana większość, aż 81,5 procent, pochodziła z wschodniej strony pola widzenia instrumentu, a jedynie 13,7 procent z zachodniej - różnica była niemal sześciokrotna. Można by podejrzewać, że miejscowe warunki pogodowe po prostu faworyzują jeden kierunek, jednak niezależne pomiary pola elektrycznego przy powierzchni ziemi nie potwierdziły aż tak silnej asymetrii w rzeczywistych burzach.

Konieczne było więc poszukanie innego wyjaśnienia. W nowej pracy badacze z GRAPES-3 zestawili dane zebrane przez całą dekadę z obszernymi symulacjami CORSIKA. Odpowiedź okazała się leżeć poza samą chmurą - w polu magnetycznym Ziemi.

Pierwotne promieniowanie kosmiczne niesie ładunek elektryczny, dlatego jego trajektoria ulega zakrzywieniu przez ziemskie pole magnetyczne jeszcze przed wejściem w atmosferę. Ponieważ większość cząstek pierwotnych to dodatnio naładowane protony, efekt ten nie jest symetryczny. W zależności od kierunku do atmosfery wpada nieco inna populacja cząstek o różnych energiach, co w konsekwencji przekłada się na właściwości powstających mionów.

Od strony wschodniej na jeden mion ujemny przypada około 1,37 miona dodatniego, natomiast od zachodu stosunek ten wynosi około 1,14. Choć różnica wydaje się niewielka, ma kluczowe znaczenie dla pomiaru burzy. Gdyby liczba mionów dodatnich i ujemnych była identyczna, pole burzowe przyspieszałoby jedną grupę i spowalniało drugą, a efekty w znacznej mierze by się znosiły. Im większa przewaga jednego typu cząstek, tym silniejszą zmianę całkowitego strumienia rejestruje detektor.

GRAPES-3 jest zatem po prostu zauważalnie bardziej wrażliwy na burze zachodzące po jednej stronie nieba. Potwierdziły to symulacje - po uwzględnieniu rzeczywistej zmienności proporcji mionów dodatnich do ujemnych pojawiła się asymetria wschód-zachód praktycznie identyczna z tą zaobserwowaną w rzeczywistych danych. Gdy badacze w modelu sztucznie ustawili jednakowy stosunek dla wszystkich kierunków, różnica całkowicie zniknęła.

Piorun sam też potrafi rozpędzać cząstki

Nowe badanie nie ustanawia więc kolejnego rekordu napięcia, lecz tłumaczy, dlaczego GRAPES-3 wykazywał większą czułość na burze z jednej strony nieba. Ma to istotne znaczenie, bo usuwa jedną z głównych wątpliwości dotyczących metody wykorzystującej miony do pomiaru gigantycznych potencjałów w chmurach burzowych. Takie badania są potrzebne, ponieważ elektryczność atmosferyczna wciąż skrywa wiele niewiadomych - nie do końca wiadomo, jak w chmurze powstają tak ogromne różnice potencjałów i co decyduje o momencie zapoczątkowania wyładowania.

W czerwcu opisywany był przypadek pioruna, który zadziałał jak naturalny akcelerator cząstek, generując błysk promieniowania gamma skierowany w stronę powierzchni Ziemi. Takie obserwacje wiążą się ściśle z pytaniem o to, jak silne pola elektryczne może wytworzyć burza i jak wpływają one na elektrony oraz inne naładowane cząstki. Samo wyładowanie atmosferyczne jest przy tym tylko końcowym, najbardziej spektakularnym etapem dużo większego procesu elektrycznego rozwijającego się w chmurze.

GRAPES-3 dowodzi natomiast, że do zmierzenia elektryczności burzy nie trzeba wysyłać czujnika na pokładzie samolotu wprost w chmurę. Wystarczy poczekać, aż natura sama nieprzerwanie przepuści przez nią miliardy naładowanych cząstek, a następnie sprawdzić, jaki wpływ burza na nie wywarła.