© NASA/Quanta MagazinePrema NASA-i, u svakom trenutku diljem svijeta događa se više od 2.000 grmljavinskih oluja
Prije nego što je promijenio način na koji razumijemo munje na Zemlji, Joseph Dwyer proučavao je vrijeme u kozmičkijim okruženjima. Koristeći senzore na NASA-inom satelitu Wind koji kruži milijunima kilometara daleko, promatrao je baklje kako izbijaju sa Sunca i analizirao čestice koje struje sa Sunčeve površine. Ali kada se preselio na Floridu na prijelazu tisućljeća, Dwyer se osjećao spremnim za nešto novo - nešto što on i njegovi studenti mogu sami istražiti. Nije trebalo dugo prije nego što je tropsko vrijeme donijelo prikladnu misteriju ispred prozora njegovog ureda. "Bilo je kao bum, bum, bum vani", rekao je Dwyer. "Pogledao sam to i shvatio da su munje neriješen problem."
Grmljavinske oluje očaravaju čovječanstvo tisućljećima, a ipak njihov unutarnji rad ostaje duboko misteriozan. Olujni oblaci su neprozirni. Opasno im je prići. I preveliki su da bi stali u laboratorij. Znatiželjni istraživači već gotovo tri stoljeća šalju zmajeve, balone i rakete u njih i mnogo su naučili. Ali svaki put kada se ljubitelji munja približe akciji, otkrivaju velike praznine u svom razumijevanju. Posljednjih 50 godina istraživači su se usredotočili na jednu određenu prazninu: Kako nastaje nazubljeni kanal vrućeg bijelog zraka koji nazivamo munjom?
Nedavno je to područje doživjelo svojevrsnu renesansu jer su istraživači - mnogi od njih izbjeglice iz astrofizike poput Dwyera - osmislili nove načine probijanja oblaka. Uzeli su mnoštvo instrumenata izgrađenih za proučavanje nasilnih kozmičkih događaja i obučili ih na brutalnost zemaljskih grmljavinskih oluja. Vidjeli su munje kako izbacuju rendgenske zrake dok krivudaju, uočili su treperave sjajeve gama zraka koji dolaze iz grmljavinskih oblaka i, vrlo nedavno, otkrili su naznake munja koje putuju u neočekivanim smjerovima.
Nitko nije spojio sve dijelove, ali novo razumijevanje munja poprima oblik. Zastrašujući bljeskovi sve manje nalikuju ogromnim električnim iskrama kakve su ih fizičari nekoć zamišljali. Dok elektricitet igra središnju ulogu, munje se formiraju i oblikuju prema cijelom kanonu fizike - od kozmičkih eksplozija do fizike čestica. Konkretno, čini se da su za pokretanje munje potrebni ekstremni događaji koji se tipičnije povezuju sa supernovama, crnim rupama i sudaračima čestica nego s pahuljastim oblacima.
"U tom području postoji sve veći konsenzus da visokoenergetski procesi igraju ključnu ulogu u nastanku munja", rekao je Caitano da Silva, atmosferski fizičar na New Mexico Techu. "Uzbudljivo je vrijeme za rad u ovom području."
Točka okidanja
Kad bi munje parale nebo, stari Grci, Skandinavci i Hindusi vidjeli bi bljeskove božanskog ratovanja. A kad bi im grmljavina tresla u prsima, Kinezi bi osjećali božanstvo koje kažnjava zločince. Danas moć grmljavine i dalje ostavlja ljude zapanjenima.
"Odrastao sam gledajući ove velike hladne fronte koje dolaze s mnogo munja" u Brazilu, rekao je da Silva. "Prestrašio sam se toga."
Sa strahom dolazi i fascinacija. Pa ipak, unatoč stoljećima istraživanja, fascinirani fizičari poput da Silve i dalje postavljaju isto pitanje kao i stari: Kako nastaje munja?
Neko su vrijeme istraživači mislili da imaju odgovor. Dok su fizičari demistificirali elektricitet u 18. i 19. stoljeću, naučili su kako stvoriti velike iskre na naredbu: nagomilati električni naboj na jednoj metalnoj kugli, približiti drugu i iskra će skočiti između njih. Kad su istraživači konačno shvatili strukturu materije, razumjeli su zašto. Odvojeni naboji stvaraju električno polje između kugli. Kada električno polje dosegne kritičnu jakost - otprilike 3 milijuna volti po metru - zrak se počinje raspršivati. Polje izbacuje slobodne elektrone u susjedne atome, gdje oni oslobađaju još više elektrona. Poput snijega na strmoj planinskoj padini, "lavina" elektrona, zagrijavaju zrak dok ne zasja.
© Mark Belan/Quanta Magazine'Kaskadni model' udara munje
Ali kada su fizičari sredinom 20. stoljeća prešli sa zmajeva na rakete i meteorološke balone veličine kamiona, pronašli su problem. Oblaci imaju električna polja; sitni kristali leda trljaju se jedan o drugi poput čarapa o tepih, a kristali s dodatnim elektronima imaju tendenciju gomilanja na dnu oblaka. Ali ta su polja slaba. Tipične grmljavinske oluje imaju samo desetinu električne struje potrebne za iskre, a najjača polja ikad izmjerena dosežu samo trećinu kritičnog intenziteta. Pa ipak, prema NASA-inim satelitima, u svakom trenutku diljem svijeta postoji više od 2.000 grmljavinskih oluja - opažanje jednako zbunjujuće kao lavine koje tutnje niz padine.
"Morate povećati električno polje sve iznad konvencionalnog praga proboja", rekao je Michael Stock, istraživač u Kooperativnom institutu za istraživanje i operacije teških i visoko utjecajnih vremenskih uvjeta na Sveučilištu u Oklahomi. "Ali čini se da se to ne događa u prirodi."
Vidljivi bljesak znači da se zrak raspao u nered vrućih, nabijenih subatomskih krhotina. Dakle, ili je nešto prenapunilo električno polje, gurajući ga preko kritičnog praga, ili neki drugi proces mora razgraditi molekule zraka. Pitanje je: što?
© Public DomainGodine 1752. Benjamin Franklin proveo je svoj poznati eksperiment sa zmajem, kao što je prikazano na ovoj slici Benjamina Westa iz oko 1816. godine. Ovaj je eksperiment uspostavio vezu između munje i elektriciteta.
Većina olujnih oblaka nema raketne strelice koje bi im pomogle da iskre, ali imaju kristale leda, od kojih neki mogu premašiti veličinu gumice za olovku. Ovi komadi leda, koji su ujedno i vodiči, mogu se rastegnuti u krhotine. Fizičari su procijenili da dovoljno duge krhotine leda mogu pojačati jakost polja za faktor 10 ili više, te da bi niz ovih takozvanih hidrometeora koji djeluju zajedno mogao učiniti još bolje. Još jednom, misterij se činio riješenim.
Nestabilne lavine
Godine 1994., satelit koji je tražio ekstremne eksplozije u dubokom svemiru slučajno je uhvatio bljeskove gama zraka koje dolaze iz grmljavinskih oblaka, često uz munje. Gama zrake su najenergičnija vrsta svjetlosnih zraka, obično označavajući posljednji dah umiruće zvijezde ili kataklizmički pljesak dviju neutronskih zvijezda. To nije nešto što biste očekivali da će izaći iz oblaka, bez obzira na to koliko oštrih ledenih komadića imao. Nešto se događalo u brzom i intenzivnom području subatomskih čestica.
To je bilo otprilike u vrijeme kada je Dwyer svjedočio snažnim floridskim grmljavinskim olujama i saznao o njihovom tajanstvenom podrijetlu. Kao astrofizičar, znao je za subatomsko područje. Bio je upoznat s radom nobelovca C.R. Wilsona, koji je postavio hipotezu da bi "relativistički" elektron koji se kreće brzinom bliskom brzini svjetlosti jedva osjetio otpor atoma u zraku. (Da Silva to uspoređuje s metkom koji probija roj pahuljica snijega.) Dovoljno brz elektron u električnom polju stoga bi mogao "bježati" sve brže i brže.
Dwyer je znao da je ruski fizičar Aleksandar Gurevič 1992. pokazao da takav odbjegli elektron može osloboditi kaskadu od možda 100.000 elektrona, slično lavinama koje izazivaju iskre u laboratoriju, ali koje se odvijaju na stotinama do tisućama metara. Također je znao da kada se ti relativistički, odbjegli elektroni odbiju od molekula zraka, mogu emitirati gama zrake.
© NASAMunje su česte na Floridi. Ovaj udar je pogodio lansirnu rampu Space Shuttlea Challenger u Svemirskom centru Kennedy 30. kolovoza 1983.
Prema Dwyerovom procesu, kada bi se jedan elektron u lavini sudario s atomom, elektron bi se mogao rikošetirati i emitirati gama zraku. Ta bi se gama zraka transformirala u elektron i njegovog antimaterijskog blizanca, pozitron. Električno polje oblaka bi gurnulo pozitron unatrag blizu mjesta gdje je lavina počela. Tamo bi se mogao sudariti s drugim atomom, pokrećući još jednu lavinu, koja bi stvorila još gama zraka, još pozitrona, još lavina i tako dalje, sve dok ne biste dobili bljesak vidljiv iz orbite.
"To je kao da uzmete mikrofon i stavite ga pored zvučnika", rekao je Dwyer, koji je sada na Sveučilištu New Hampshire. "Može brzo postati jako glasan."
Gomila nekontroliranih relativističkih lavina mogla bi objasniti gama zrake. A također bi mogla doprinijeti inicijaciji munja. Kako se lavina slijeva, elektroni se gomilaju na prednjoj strani, ostavljajući za sobom pozitivno nabijene ione - pojačavajući električno polje oblaka.
U računalnim simulacijama, Dwyer je pokazao da ovaj lanac događaja pojačava lavine, zrači gama zrake i pojačava električno polje. Otprilike u isto vrijeme, detaljne simulacije ledenih krhotina otkrile su koliko su oštri vjerojatno postali - ne baš oštri - što je također počelo slabiti teoriju hidrometeora.
Dakle, jesu li se Dwyerove nekontrolirane relativističke lavine doista događale unutar oblaka? I može li to dovoljno pojačati električno polje da proizvede munje? Njegove kolege bile su podijeljene.
Kako bi izazvali munju, istraživači ispaljuju malu raketu s tankom, uzemljenom metalnom žicom u nabijeni grmljavinski oblak. Žica inicira udar munje po naredbi.
UF/FIT ICLRT
Istraživači su se morali približiti akciji. U srpnju 2023., odvažni fizičari opremili su NASA-in avion na velikim visinama detektorima gama zraka i preletjeli njime ravno iznad jezgre nekih od najžešćih oluja na planetu - tropskih oluja u Meksičkom zaljevu, Karibima i Srednjoj Americi. Avion je dosegao stratosferske vrhove koje bi "većina ljudi željela izbjeći pod svaku cijenu", rekao je da Silva. Kampanja se zvala ALOFT, akronim djelomično nastao od drugih akronima. Njegova opažanja pružila su najveći obilje novih podataka u jednoj generaciji.UF/FIT ICLRT
Olujni oblaci, otkrio je ALOFT, su kipući kotlovi koji emitiraju sve vrste gama zraka koje su previše slabe da bi se vidjele iz svemira. Projekt je potvrdio mekane sjajeve i iznenadne bljeskove oko munja koje su također otkrili svemirski instrumenti. Ali ALOFT je također otkrio da oblaci bljeskaju čak i kada munja nije vidljiva. Najzanimljivije je to što i trepere.
"Otkrili su da postoji cijeli zoološki vrt drugih fenomena", rekla je Ute Ebert, fizičarka munja na Tehnološkom sveučilištu u Eindhovenu u Nizozemskoj.
Jedna osoba koja nije bila potpuno iznenađena ALOFT-ovim opažanjima bio je Dwyer. U iščekivanju objave ALOFT tima, ponovno je pokrenuo svoje simulacije kako bi predvidio što će njihov detektor gama zraka vidjeti dok leti iznad oluja. Odavno je znao da se relativističke lavine neizbježno gomilaju u treperavom uzorku, pa je točno izračunao kakvu će vrstu treperenja proizvesti sudari čestica. Oba tima predstavila su svoja otkrića u San Franciscu na godišnjem sastanku Američke geofizičke unije u prosincu 2023., a rezultati su se poklopili - dosad najjači dokaz da se Dwyerovi subatomski sudari odvijaju unutar stvarnih grmljavinskih oluja.
© NASA/Carla ThomasNASA-ina misija ALOFT koristila je zrakoplov ER-2 (lijevo) na velikim visinama s pilotima (desno) koji su letjeli direktno iznad tropskih grmljavinskih oluja kako bi otkrili čestice visoke energije i zračenje povezano s munjama
"To učvršćuje ovu ideju da energetski elektroni ovdje igraju ulogu", rekao je da Silva. "Do nedavno, u biti je samo Dwyer govorio o ovome."
U suprotnosti s poljem
Lanci lavina elektrona visoke energije vrlo vjerojatno uzrokuju da oblaci sjaje, trepere i bljeskaju gama zrakama. Ali istraživači ne mogu sa sigurnošću reći da oni također izazivaju munje. Jedna zagonetka je da se čini da munje počinju s jedne točke u oblaku, dok se lavine odvijaju na mnogo većem području. Lavine dovode oblak blizu uvjeta za koje se očekuje da će dovesti do munja. Ali nitko ih nije u potpunosti povezao s aktiviranjem munje.
Čak i dok je Dwyerova teorija dobila podršku, opažanja s početka 2025. oživjela su još jednu teoriju o stvaranju munja.
U pustinji Novog Meksika, dvije stanice prepune antena uhvatile su radiovalove koji su dolazili iz dvanaest odvojenih udara groma. Koristeći te podatke, Xuan-Min Shao, istraživač u Nacionalnom laboratoriju Los Alamos, uspio je rekonstruirati način na koji se ukupna struja kretala tijekom početka tih udara. Otkrio je da nešto nije u redu. Ako je jedna od Dwyerovih kaskada ili bilo koji drugi proces vođen isključivo električnim poljem, zasijavao munju, proto-munja bi se kretala savršeno u skladu s električnim poljem od samog početka procesa. No, Shao je otkrio da su u tim slučajevima dva smjera bila pomalo u suprotnosti. U kosini, Shao vidi dokaze za izvanzemaljsko, čak i izvangalaktičko podrijetlo munje - kozmički pljusak.
© CopyrightProširenje modela elektronske kaskade munje kako bi se uključili kozmički zraci
Za neke fizičare, Shao iznosi snažne argumente. "Mora da se radi o mapiranju smjera nečeg drugog, najvjerojatnije ionizacije kozmičkih zraka", rekao je David Smith, fizičar sa Sveučilišta Kalifornija u Santa Cruzu. "Smatram da su podaci izuzetno uvjerljivi."
Drugi kažu da je prerano znati što misliti o ovom otkriću. Shaova tehnika rekonstrukcije nije u potpunosti utvrđena, a kozmičke zrake pune su slabo shvaćene fizike čestica. To ih čini primamljivima koristiti kao "čarobni štapić", rekao je Brian Hare, fizičar s Nizozemskog instituta za radioastronomiju, kako bi se popunila inače teško objašnjiva praznina u misterioznom procesu.
Ali ako Shao i drugi počnu viđati više slučajeva munja koje lete nakrivo, to bi moglo motivirati teoretičare da razrade te detalje.
© Los Alamos National LaboratoryHvatanjem radiovalova iz dvanaest pojedinačnih udara groma, Xuan-Min Shao je pronašao dokaze da kozmički zraci mogu izazvati munje
Posljednjih nekoliko desetljeća istraživanja munja dalo je nekoliko ideja o tome kako priroda može izmamiti munje iz oblaka sa slabim električnim poljima. I dok se teorije natječu u znanstvenoj literaturi, vjerojatno surađuju u stvarnom svijetu. Duge iglice leda mogu pokrenuti munje u jednom oblaku, dok poplava elektrona koji proizvode gama zrake to čini u drugom oblaku. I više mehanizama može raditi zajedno kako bi pomaknuli električno polje preko točke bez povratka. Samo preciznijim mjerenjima gama zraka i radiovalova koji prate munje istraživači se mogu nadati da će utvrditi je li jedan mehanizam ili jedna kombinacija mehanizama najčešći.
Ali kako se fizičari približavaju misteriju onoga što pokreće munje, ponovno uočavaju neočekivane pojave koje ne odgovaraju nijednoj od teorija. Na primjer, postoje suptilni obrasci u gama zrakama koje je ALOFT vidio. I tijekom posljednjih nekoliko godina, niz radioteleskopa u Nizozemskoj pruža neke od najoštrijih slika munje dok se počinje granati od svoje početne točke. Pokazuju da neki dijelovi brzo izbijaju, neki se kreću relativno sporo, a neki izbacuju iglice dok putuju.
Ove značajke sugeriraju da će se, čak i kako objašnjenja postaju sveobuhvatnija, slučaj o tome kako munja zapravo funkcionira nastaviti iznova otvarati. "Što više gledamo, to postaje sve bizarnije", rekao je Dwyer. "Jasno je da su naše vrlo jednostavne slike ovdje zapravo nepotpune."
Komentari čitatelja
na naše novosti