Βροντές και αστραπές προκαλούσαν δέος και φόβο στους ανθρώπους προ αμνημονεύτων χρόνων. Στους αρχαίους πολιτισμούς, αυτά τα φυσικά φαινόμενα συχνά πιστεύεται ότι σχετίζονταν με μερικούς από τους πιο σημαντικούς και ισχυρούς θεούς- Ίντρα στον Ινδουισμό, Δία στην ελληνική μυθολογία και τον Θωρ στην Νορβηγική μυθολογία.
Γνωρίζουμε ότι οι καταιγίδες μπορεί να προκαλέσoυν μια σειρά από αξιόλογα αποτελέσματα, πιο συχνά διακοπές ρεύματος, χαλαζοπτώσεις και κατοικίδια ζώα να κρύβονται κάτω από τα κρεβάτια. Αλλά αποδεικνύεται ότι υπάρχουν ακόμη πράγματα που πρέπει να μάθουμε γι 'αυτές. Μια νέα μελέτη, που δημοσιεύτηκε στο Nature, έχει δείξει ότι οι καταιγίδες μπορεί επίσης να παράγουν ραδιενέργεια πυροδοτώντας πυρηνικές αντιδράσεις στην ατμόσφαιρα.
Αυτό μπορεί να ακούγεται σαν μία ιστορία επιστημονικής φαντασίας. Αλλά στην πραγματικότητα, δεν έχει τίποτα το ανησυχητικό. Από τις αρχές του 20ου αιώνα, οι επιστήμονες γνωρίζουν την ιονίζουσα ακτινοβολία - σωματίδια και τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα στην ατμόσφαιρα της Γης από το διάστημα. Αυτή η ακτινοβολία μπορεί να αντιδράσει με άτομα ή μόρια, που μεταφέρουν αρκετή ενέργεια για να απελευθερώσουν τα ηλεκτρόνια είτε από άτομα ή μόρια. Ως εκ τούτου, αφήνουν πίσω τους «ιόντα» με θετικό ηλεκτρικό φορτίο.
Ακριβώς πριν από έναν αιώνα, ο Αυστριακός φυσικός Victor Hess έκανε μετρήσεις ιονισμού σε ένα αερόστατο 5 χιλιόμετρα πάνω από την επιφάνεια της Γης. Σημείωσε ότι το ποσοστό ιονισμού αυξήθηκε ραγδαία με το ύψος, το αντίθετο από ό, τι θα αναμενόταν εάν η πηγή της ιονίζουσας ακτινοβολίας ερχόταν από το έδαφος. Ως εκ τούτου, ο Hess κατέληξε στο συμπέρασμα ότι πρέπει να υπάρχει μια πηγή ακτινοβολίας με πολύ υψηλή διεισδυτική ικανότητα που βρίσκεται πάνω από την ατμόσφαιρα.
Πήρε το βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1936 για την ανακάλυψή του, που αργότερα ονομάστηκε «κοσμικές ακτίνες».
Γνωρίζουμε τώρα ότι οι κοσμικές ακτίνες αποτελούνται από φορτισμένα σωματίδια: κατά κύριο λόγο, ηλεκτρόνια, ατομικούς πυρήνες και πρωτόνια - τα τελευταία συνθέτουν τον πυρήνα μαζί με τα νετρόνια. Κάποια προέρχονται από τον Ήλιο, ενώ άλλα προέρχονται από τις μακρινές εκρήξεις των νεκρών άστρων στο γαλαξία μας, που είναι γνωστά ως σουπερνόβα. Όταν αυτές οι κοσμικές ακτίνες εισέρχονται στην ατμόσφαιρα της Γης, αλληλεπιδρούν με άτομα και μόρια για να παράγουν μικρότερα σωματίδια. Μεταξύ αυτών είναι τα νετρόνια, τα οποία δεν έχουν ηλεκτρικό φορτίο.
Είναι αυτά τα νετρόνια που καθιστούν δυνατή τη ραδιοχρονολόγηση. Τα περισσότερα άτομα άνθρακα έχουν 6 πρωτόνια και είτε 6 ή 7 νετρόνια στους πυρήνες τους (που ονομάστηκαν «ισότοπα 12C και 13C», αντίστοιχα). Ωστόσο, νετρόνια που παράγονται από τις κοσμικές ακτίνες μπορεί να αντιδράσουν με το ατμοσφαιρικό άζωτο για να δημιουργήσουν 14C, ένα βαρύ και ασταθές ισότοπο του άνθρακα που, με την πάροδο του χρόνου, θα αποσυντεθεί «ραδιενεργά» (κατατμηθεί ενώ εκπέμπει ακτινοβολία) πίσω σε άζωτο.
Στη φύση, το 14C είναι εξαιρετικά σπάνιο και αποτελεί μόνο το ένα στο ένα τρισεκατομμύριο άτομα άνθρακα . Όμως, εκτός από το βάρος του και ραδιενεργές ιδιότητες, το 14C είναι ουσιαστικά ίδιο με τα πιο κοινά ισότοπα του άνθρακα. Οξειδώνεται για να σχηματίσει διοξείδιο του άνθρακα και εισέρχεται στην τροφική αλυσίδα, όπως τα φυτά απορροφούν το ραδιενεργό CO2 .
Η αναλογία των 12C σε 14C σε ένα δεδομένο οργανισμό θα αρχίσει να αλλάζει όταν ο εν λόγω οργανισμός πεθαίνει και παύει να λαμβάνει άνθρακα. Το 14C υπάρχει ήδη στο σύστημά του, τότε αρχίζει η αποσύνθεση. Είναι μια αργή διαδικασία αφού το 14C έχει μία προβλέψιμη ραδιενεργή ημι-ζωή 5.730 χρόνων, πράγμα που σημαίνει ότι βιολογικά δείγματα μπορούν να χρονολογηθούν με μέτρηση της αναλογίας των 12C έως 14C που παραμένουν.
Με τον τρόπο αυτό, οι κοσμικές ακτίνες είναι υπεύθυνες για τις πυρηνικές αντιδράσεις στην ατμόσφαιρα της Γης. Μέχρι σήμερα, σκεφτήκαμε ότι ήταν το μόνο φυσικό κανάλι που παράγει ραδιενεργά στοιχεία, όπως 14C. Η λέξη «πυρηνική», είναι τόσο απαίσια όταν συνεργάζεται με την «βόμβα» ή «απόβλητα», απλά αναφέρεται στις αλλαγές που φέρνει σε ένα ατομικό πυρήνα.
Σχεδόν 100 χρόνια πριν, ο διάσημος Σκωτσέζος φυσικός και μετεωρολόγος Charles Wilson πρότεινε ότι καταιγίδες θα μπορούσαν επίσης να προκαλέσουν πυρηνικές αντιδράσεις στην ατμόσφαιρα. Ο Wilson, ο οποίος έκανε επιτόπια έρευνα στο απομονωμένο μετεωρολογικό παρατηρητήριο στην κορυφή του Ben Nevis, το ψηλότερο βουνό της Βρετανίας, ήταν γοητευμένος από σχηματισμούς καταιγίδων και την ατμοσφαιρική ηλεκτρική ενέργεια. Ωστόσο, η πρότασή του είναι προγενέστερη[περίπου 7 χρόνια] από την ανακάλυψη του νετρονίου - ένα από τα προϊόντα ενδεικτικό των πυρηνικών αντιδράσεων - οπότε η πρότασή του δεν θα μπορούσε να ελεγχθεί.
Από την εποχή του Wilson, έχουν υπάρξει πολλές μελέτες που έχουν ισχυριστεί ότι έχουν εντοπιστεί καταιγίδες που παράγουν νετρόνια, αλλά καμία δεν έχει αποδειχθεί ότι είναι οριστική . Άλλοι έχουν ψάξει για ενεργητική ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία (ακτίνες Χ και γάμμα-ακτίνες) που συνοδεύουν ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας που γνωρίζουμε ότι παράγεται από κεραυνό σε καταιγιδοφόρα νέφη. Οι υπολογισμοί δείχνουν ότι αυτά τα ηλεκτρόνια και ακτίνες γάμμα μπορούν να κρούσουν νετρόνια έξω από το άζωτο και το οξυγόνο στην ατμόσφαιρα. Όμως, αν και έχουν παρατηρηθεί οι ακτίνες Χ και γάμμα-ακτίνες, δεν υπήρξε ποτέ μια άμεση παρατήρηση των επακόλουθων πυρηνικών αντιδράσεων που λαμβάνουν χώρα σε μια καταιγίδα.
Η νέα μελέτη χρησιμοποιεί μια διαφορετική προσέγγιση. Αντί να ψάχνουν για τα φευγαλέα νετρόνια, οι συγγραφείς βασίζονται σε άλλα υποπροϊόντα των πυρηνικών αντιδράσεων. Εάν τα ηλεκτρόνια και ακτίνες γάμμα προκαλούν ασταθή ισότοπα αζώτου και οξυγόνου που πρέπει να σχηματίζονται με πυρηνικές αντιδράσεις μετά από ένα επεισόδιο , αυτά θα πρέπει να διασπώνται μετά από λίγα λεπτά για να σχηματίσουν σταθερά ισότοπα του άνθρακα και του αζώτου.
Κυρίως, αυτή η αποσύνθεση παράγει ένα σωματίδιο γνωστό ως «ποζιτρόνιο», την «αντιύλη» ως έκδοση του ηλεκτρονίου. Χρησιμοποιώντας ανιχνευτές ακτινοβολίας πάνω από τη Θάλασσα της Ιαπωνίας, παρατήρησαν σαφή δακτυλικά αποτυπώματα ακτίνων γάμμα του ποζιτρονίου- ηλεκτρονίου που λαμβάνουν χώρα αμέσως μετά την πτώση κεραυνού σε χαμηλά χειμωνιάτικα καταιγιδοφόρα νέφη. Αυτό αποτελεί σαφή ένδειξη των πυρηνικών αντιδράσεων που λαμβάνουν χώρα σε καταιγιδοφόρα νέφη.
Αυτά τα αποτελέσματα είναι σημαντικά διότι καταδεικνύουν μια προηγουμένως άγνωστη πηγή ισοτόπων στην ατμόσφαιρα της Γης. Αυτές περιλαμβάνουν άνθρακα-13, άνθρακα-14 και άζωτο-15, αλλά μελλοντικές μελέτες μπορεί επίσης να αποκαλύψουν άλλες, όπως τα ισότοπα του υδρογόνου, ήλιο και βηρύλλιο.
Τα ευρήματα έχουν επίσης επιπτώσεις για τους αστρονόμους και τους πλανητικούς επιστήμονες. Μέσα στο ηλιακό μας σύστημα καταιγίδες στην ατμόσφαιρα θα μπορούσαν να συμβάλλουν στη σύνθεση της ατμόσφαιρας των πλανητών. Ένας από αυτούς τους πλανήτες είναι ο Δίας, ο οποίος ταιριαστά ήταν και ο θεός του κεραυνού στην αρχαία ελληνική μυθολογία.
Γεωδίφης
Πηγή-The Conversation
Γνωρίζουμε ότι οι καταιγίδες μπορεί να προκαλέσoυν μια σειρά από αξιόλογα αποτελέσματα, πιο συχνά διακοπές ρεύματος, χαλαζοπτώσεις και κατοικίδια ζώα να κρύβονται κάτω από τα κρεβάτια. Αλλά αποδεικνύεται ότι υπάρχουν ακόμη πράγματα που πρέπει να μάθουμε γι 'αυτές. Μια νέα μελέτη, που δημοσιεύτηκε στο Nature, έχει δείξει ότι οι καταιγίδες μπορεί επίσης να παράγουν ραδιενέργεια πυροδοτώντας πυρηνικές αντιδράσεις στην ατμόσφαιρα.
Αυτό μπορεί να ακούγεται σαν μία ιστορία επιστημονικής φαντασίας. Αλλά στην πραγματικότητα, δεν έχει τίποτα το ανησυχητικό. Από τις αρχές του 20ου αιώνα, οι επιστήμονες γνωρίζουν την ιονίζουσα ακτινοβολία - σωματίδια και τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα στην ατμόσφαιρα της Γης από το διάστημα. Αυτή η ακτινοβολία μπορεί να αντιδράσει με άτομα ή μόρια, που μεταφέρουν αρκετή ενέργεια για να απελευθερώσουν τα ηλεκτρόνια είτε από άτομα ή μόρια. Ως εκ τούτου, αφήνουν πίσω τους «ιόντα» με θετικό ηλεκτρικό φορτίο.
Ακριβώς πριν από έναν αιώνα, ο Αυστριακός φυσικός Victor Hess έκανε μετρήσεις ιονισμού σε ένα αερόστατο 5 χιλιόμετρα πάνω από την επιφάνεια της Γης. Σημείωσε ότι το ποσοστό ιονισμού αυξήθηκε ραγδαία με το ύψος, το αντίθετο από ό, τι θα αναμενόταν εάν η πηγή της ιονίζουσας ακτινοβολίας ερχόταν από το έδαφος. Ως εκ τούτου, ο Hess κατέληξε στο συμπέρασμα ότι πρέπει να υπάρχει μια πηγή ακτινοβολίας με πολύ υψηλή διεισδυτική ικανότητα που βρίσκεται πάνω από την ατμόσφαιρα.
Πήρε το βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1936 για την ανακάλυψή του, που αργότερα ονομάστηκε «κοσμικές ακτίνες».
Γνωρίζουμε τώρα ότι οι κοσμικές ακτίνες αποτελούνται από φορτισμένα σωματίδια: κατά κύριο λόγο, ηλεκτρόνια, ατομικούς πυρήνες και πρωτόνια - τα τελευταία συνθέτουν τον πυρήνα μαζί με τα νετρόνια. Κάποια προέρχονται από τον Ήλιο, ενώ άλλα προέρχονται από τις μακρινές εκρήξεις των νεκρών άστρων στο γαλαξία μας, που είναι γνωστά ως σουπερνόβα. Όταν αυτές οι κοσμικές ακτίνες εισέρχονται στην ατμόσφαιρα της Γης, αλληλεπιδρούν με άτομα και μόρια για να παράγουν μικρότερα σωματίδια. Μεταξύ αυτών είναι τα νετρόνια, τα οποία δεν έχουν ηλεκτρικό φορτίο.
Είναι αυτά τα νετρόνια που καθιστούν δυνατή τη ραδιοχρονολόγηση. Τα περισσότερα άτομα άνθρακα έχουν 6 πρωτόνια και είτε 6 ή 7 νετρόνια στους πυρήνες τους (που ονομάστηκαν «ισότοπα 12C και 13C», αντίστοιχα). Ωστόσο, νετρόνια που παράγονται από τις κοσμικές ακτίνες μπορεί να αντιδράσουν με το ατμοσφαιρικό άζωτο για να δημιουργήσουν 14C, ένα βαρύ και ασταθές ισότοπο του άνθρακα που, με την πάροδο του χρόνου, θα αποσυντεθεί «ραδιενεργά» (κατατμηθεί ενώ εκπέμπει ακτινοβολία) πίσω σε άζωτο.
Στη φύση, το 14C είναι εξαιρετικά σπάνιο και αποτελεί μόνο το ένα στο ένα τρισεκατομμύριο άτομα άνθρακα . Όμως, εκτός από το βάρος του και ραδιενεργές ιδιότητες, το 14C είναι ουσιαστικά ίδιο με τα πιο κοινά ισότοπα του άνθρακα. Οξειδώνεται για να σχηματίσει διοξείδιο του άνθρακα και εισέρχεται στην τροφική αλυσίδα, όπως τα φυτά απορροφούν το ραδιενεργό CO2 .
Η αναλογία των 12C σε 14C σε ένα δεδομένο οργανισμό θα αρχίσει να αλλάζει όταν ο εν λόγω οργανισμός πεθαίνει και παύει να λαμβάνει άνθρακα. Το 14C υπάρχει ήδη στο σύστημά του, τότε αρχίζει η αποσύνθεση. Είναι μια αργή διαδικασία αφού το 14C έχει μία προβλέψιμη ραδιενεργή ημι-ζωή 5.730 χρόνων, πράγμα που σημαίνει ότι βιολογικά δείγματα μπορούν να χρονολογηθούν με μέτρηση της αναλογίας των 12C έως 14C που παραμένουν.
Με τον τρόπο αυτό, οι κοσμικές ακτίνες είναι υπεύθυνες για τις πυρηνικές αντιδράσεις στην ατμόσφαιρα της Γης. Μέχρι σήμερα, σκεφτήκαμε ότι ήταν το μόνο φυσικό κανάλι που παράγει ραδιενεργά στοιχεία, όπως 14C. Η λέξη «πυρηνική», είναι τόσο απαίσια όταν συνεργάζεται με την «βόμβα» ή «απόβλητα», απλά αναφέρεται στις αλλαγές που φέρνει σε ένα ατομικό πυρήνα.
Σχεδόν 100 χρόνια πριν, ο διάσημος Σκωτσέζος φυσικός και μετεωρολόγος Charles Wilson πρότεινε ότι καταιγίδες θα μπορούσαν επίσης να προκαλέσουν πυρηνικές αντιδράσεις στην ατμόσφαιρα. Ο Wilson, ο οποίος έκανε επιτόπια έρευνα στο απομονωμένο μετεωρολογικό παρατηρητήριο στην κορυφή του Ben Nevis, το ψηλότερο βουνό της Βρετανίας, ήταν γοητευμένος από σχηματισμούς καταιγίδων και την ατμοσφαιρική ηλεκτρική ενέργεια. Ωστόσο, η πρότασή του είναι προγενέστερη[περίπου 7 χρόνια] από την ανακάλυψη του νετρονίου - ένα από τα προϊόντα ενδεικτικό των πυρηνικών αντιδράσεων - οπότε η πρότασή του δεν θα μπορούσε να ελεγχθεί.
Από την εποχή του Wilson, έχουν υπάρξει πολλές μελέτες που έχουν ισχυριστεί ότι έχουν εντοπιστεί καταιγίδες που παράγουν νετρόνια, αλλά καμία δεν έχει αποδειχθεί ότι είναι οριστική . Άλλοι έχουν ψάξει για ενεργητική ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία (ακτίνες Χ και γάμμα-ακτίνες) που συνοδεύουν ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας που γνωρίζουμε ότι παράγεται από κεραυνό σε καταιγιδοφόρα νέφη. Οι υπολογισμοί δείχνουν ότι αυτά τα ηλεκτρόνια και ακτίνες γάμμα μπορούν να κρούσουν νετρόνια έξω από το άζωτο και το οξυγόνο στην ατμόσφαιρα. Όμως, αν και έχουν παρατηρηθεί οι ακτίνες Χ και γάμμα-ακτίνες, δεν υπήρξε ποτέ μια άμεση παρατήρηση των επακόλουθων πυρηνικών αντιδράσεων που λαμβάνουν χώρα σε μια καταιγίδα.
Η νέα μελέτη χρησιμοποιεί μια διαφορετική προσέγγιση. Αντί να ψάχνουν για τα φευγαλέα νετρόνια, οι συγγραφείς βασίζονται σε άλλα υποπροϊόντα των πυρηνικών αντιδράσεων. Εάν τα ηλεκτρόνια και ακτίνες γάμμα προκαλούν ασταθή ισότοπα αζώτου και οξυγόνου που πρέπει να σχηματίζονται με πυρηνικές αντιδράσεις μετά από ένα επεισόδιο , αυτά θα πρέπει να διασπώνται μετά από λίγα λεπτά για να σχηματίσουν σταθερά ισότοπα του άνθρακα και του αζώτου.
Κυρίως, αυτή η αποσύνθεση παράγει ένα σωματίδιο γνωστό ως «ποζιτρόνιο», την «αντιύλη» ως έκδοση του ηλεκτρονίου. Χρησιμοποιώντας ανιχνευτές ακτινοβολίας πάνω από τη Θάλασσα της Ιαπωνίας, παρατήρησαν σαφή δακτυλικά αποτυπώματα ακτίνων γάμμα του ποζιτρονίου- ηλεκτρονίου που λαμβάνουν χώρα αμέσως μετά την πτώση κεραυνού σε χαμηλά χειμωνιάτικα καταιγιδοφόρα νέφη. Αυτό αποτελεί σαφή ένδειξη των πυρηνικών αντιδράσεων που λαμβάνουν χώρα σε καταιγιδοφόρα νέφη.
Αυτά τα αποτελέσματα είναι σημαντικά διότι καταδεικνύουν μια προηγουμένως άγνωστη πηγή ισοτόπων στην ατμόσφαιρα της Γης. Αυτές περιλαμβάνουν άνθρακα-13, άνθρακα-14 και άζωτο-15, αλλά μελλοντικές μελέτες μπορεί επίσης να αποκαλύψουν άλλες, όπως τα ισότοπα του υδρογόνου, ήλιο και βηρύλλιο.
Τα ευρήματα έχουν επίσης επιπτώσεις για τους αστρονόμους και τους πλανητικούς επιστήμονες. Μέσα στο ηλιακό μας σύστημα καταιγίδες στην ατμόσφαιρα θα μπορούσαν να συμβάλλουν στη σύνθεση της ατμόσφαιρας των πλανητών. Ένας από αυτούς τους πλανήτες είναι ο Δίας, ο οποίος ταιριαστά ήταν και ο θεός του κεραυνού στην αρχαία ελληνική μυθολογία.
Γεωδίφης
Πηγή-The Conversation
RSS Feed
