ATMOSFERA

Pripremi: Mirko Jakovljević

Munje iz vedra neba

Po posledicama koje ostavljaju na području SAD, munje su opasnije od uragana i tornada. Napadaju bez upozorenja, nekad iz vedrog neba. Širom sveta, dogodi se oko 4 miliona sevanja dnevno, a munje su primećene i na drugim planetama. Ipak, još uvek se pouzdano ne zna šta izaziva sevanje.

Pogrešno je mišljenje da je Bendžamin Frenklin rešio zagonetku munje kada je sproveo poznati eksperiment sa zmajem, 1752. godine. Iako je demonstrirao da je munja električni fenomen, naučnici i danas pokušavaju da rastumače kako oluje, praćene grmljavinom, stvaraju napon i kako se javljaju munje. Neki fizičari su pretpostavljali da munje imaju vezu sa kosmičkim talasima - česticama visokog napona koje bombarduju Zemlju iz svemira, izazivajući kaskade brzih elektrona u atmosferi.

Istraživači su nedavno otkrili nov put za proučavanje munja : ispitivanje x - zraka koji se emituju u vidu munja od oblaka ka zemlji. Merenje x - zraka koji nastaju od munja u prirodi i veštačkih, koje nastaju prilikom lansiranja raketa tokom oluja, pokazalo je da munja može stvoriti svoje nazubljene, provodne kanale oslobađanjem mlazeva super - brzih elektrona.

Munja liči na ogromnu varnicu. Na primer, dok prelazite preko tepiha, cipele troše elektrone a vi akumulirate električni napon koji proizvodi električno polje između vas i drugih predmeta u prostoriji. Za mala polja, vazduh je dobar izolator - elektroni se vezuju za atome kiseonika brže nego što ih oslobađa kolizija i električne struje nema u značajnoj količini. Međutim, kada se rukom približavate kvaki na vratima, električno polje se pojačava. Ako dostigne vrednost od tri miliona volti po metru, vazduh postaje provodnik i dolazi do pražnjenja - struja premošćuje prazninu.

Oluja praćena grmljavinom ima sličnosti sa primerom o tepihu. Unutar olujnih oblaka, ulogu cipela na tepihu ima meki grad, komadići snega koji padaju kroz kristale leda. Sudaranjem, ove čestice postaju naelektrisane. Pozitivan i negativan napon potom biva razdvojen strujanjem vazduha naviše i gravitacijom, proizvodeći električno polje. Međutim, problem je u tome što nijedno merenje do sada nije pokazalo da u oblacima postoji više od 200.000 volti po metru, što je premalo da se vazduh „ slomi “, kako biva kada dodirnemo kvaku.

Prvo moguće objašnjenje je da, unutar olujnih oblaka, zaista postoje jača električna polja, ali u relativno malim obimima, što ih čini teškim za merenje. Drugo objašnjenje dolazi od eksperimenata koji pokazuju da se električno polje, neophodno da se proizvede pražnjenje, značajno smanjuje kada su kapljice kiše ili čestice leda prisutne u olujnim oblacima.

Odbegli elektroni utiru put za munje. Elektroni sa malom energijom, koji se kreću relativno sporo, gube više energije sudarajući se sa molekulima vazduha, nego što dobijaju od električnog polja, tako da još više usporavaju. Zbog toga što elektroni sa velikom energijom gube manje energije, električno polje ih može ubrzati skoro do brzine svetlosti.

Lavina elektrona sa visokom energijom

Naučnici nisu sigurni ni kako se munje prostiru kilometrima kroz vazduh. Taj proces počinje stvaranjem toplotnog kanala koji može jonizovati vazduh i prenositi naelektrisanje preko velikih razdaljina. Pokušaji da se načini model ovog procesa nisu uspeli, što je navelo istraživače da se upitaju : da li im je nešto važno promaklo ? Na primer, možda posmatranje munje kao potpuno konvencionalnog pražnjenja nije tačno ? Možda je u pitanju neko drugačije pražnjenje ?

Prilikom konvencionalnog pražnjenja, elektroni se pomeraju relativno sporo jer ih sputavaju sudari sa molekulima vazduha. Ali ako je brzina elektrona dovoljno velika, barem 6 miliona m / sec, ili oko 2% brzine svetlosti, sila koja usporava elektrone je slabi. Ukoliko jako električno polje ubrza neki od ovih superbrzih elektrona, može se dostići gotovo brzina svetlosti. Tada se stiče ogromna količina energije i stvara posebna vrsta električnog pražnjenja.

Prema teoriji iz 1992. godine, odbegli elektroni stvaraju elektrone koji imaju veću količinu energije prilikom sudara sa molekulima vazduha. Rezultat ovoga je lavina elektrona sa visokom energijom, koja raste vremenom i razdaljinom. Sve dok se ova lavina nalazi u predelu sa jakim električnim poljem, ona će rasti do unedogled, stvarajući „ odbegli proboj “. Prema ovoj hipotezi, neophodno električno polje je oko 150 000 volti po metru, što je u okviru vrednosti izmerenih unutar oluja.

Prilikom „ odbeglog proboja “, brzi elektroni jonizuju veliki broj molekula vazduha i proizvode x - zrake i gama zrake sa visokom energijom. Stoga je jedan od načina da se testira postojanje ove pojave potraga za x - zracima. Problem je što x - zraci ne putuju daleko kroz atmosferu i obično bivaju apsorbovani stotinak metara od svog izvora. Drugi problem je što su oluje veoma bučna sredina, u elektromagnetnom smislu. Munje emituju veliku količinu šumova u okviru radio - frekvencija. Detektovanje x - zraka podrazumeva snimanje malih električnih signala. Pokušaji merenja prilikom grmljavine su poput osluškivanja sagovornika u diskoteci. Zbog toga što je teško razlikovati stvarne električne signale od onih koji nastaju emisijama radio - frekvencija, mnogi početni rezultati nisu bili prihvaćeni.

Zaslepljeni instrumenti

Pre četvrt veka promećeni su x - zraci u olujama, ali njihov izvor nije otkriven. Činilo se da je zračenje bilo povezano sa pojačanim električnim poljima unutar oblaka. Zanimljivo je da je emitovanje x - zraka ponekad počinjalo pre nego što je munja primećena, a nestajalo kada se munja pojavila - možda zbog toga što je munja napravila kratak spoj u poljima neophodnim za nastajanje „ odbeglog proboja “.

Naučnici su 2001. otkrili direktnu vezu između x - zraka i munja. Prilikom posmatranja munja sa vrha planine, utvrdili su da sama munja proizvodi energetsko zračenje, a ne ogromna električna polja unutar olujnog oblaka. Ispostavilo se i da do ovih emisija dolazi tokom najranije faze sevanja. Naredne godine, grupa naučnika na Floridi počela je sistematsku potragu za x - zracima koji se javljaju prilikom sevanja. Oni su koristili osetljive detektore smeštene unutar teških aluminijumskih kutija koje odbijaju vlagu, svetlost i buku radio - frekvencija. Ovaj uređaj istovremeno meri električna i magnetna polja i optičke emisije povezane sa sevanjem.

Kada su proučili podatke dobijene na ovaj način, naučnici su otkrili da veštački izazvana munja proizvodi velike količine x - zraka gotovo svaki put. X - zraka je bilo toliko da su instrumenti često bivali zaslepljeni zračenjem. Potonji eksperimenti su pokazali da je početni stub naelektrisanja usmeren ka zemlji, onaj kojim započinje svaka munja, odgovoran za emisiju x - zraka.

Takođe, moguće je da određeni doprinos imaju i povratni udari. Energija x - zraka dostiže do 250 hiljada elektron - volti, što je dva puta više od x - zraka koji se koriste za snimanje u medicini. Takođe, emisija x - zraka nije neprekidna, već se dešava u vidu ubrzanih eksplozija koje se ponavljaju u svakom milionitom delu sekunde.

Posmatranje x - zraka iz munja ukazuje da je neki vid „ odbeglog proboja “ uključen u ubrzavanje elektrona do mere da je moguća ovakva radijacija. Međutim, ispostavilo se da se novi podaci ne slažu sa studijom iz 1992. godine. Prema novim rezultatima, x - zraci imaju mnogo nižu energiju od predviđene, a intenzitet eksplozija je mnogo veći. U stvari, novi rezultati nagoveštavaju da je električno polje koje proizvodi munja mnogo veće nego što se ranije verovalo. Kako munje stvaraju tako velika električna polja, ostaje tajna.

Proboj unutar olujnog oblaka

Kako nastaju munje ? Tokom proteklih nekoliko godina, istraživači su stvorili modele koji pokazuju kako kiša elektrona, koja nastaje udarima kosmičkih zraka, može stvoriti munju zajedno sa „ odbeglim probojem “. Zbog toga što kiša kosmičkih zraka podrazumeva milione energetskih čestica, električno pražnjenje izazvano na ovaj način je ogromno. Tako veliko pražnjenje bi moglo izazvati pojačavanje električnog polja na vrhu lavine zbog porasta u naelektrisanju na tom mestu. Na ovaj način se nakratko može pojačati električno polje do tačke kada može nastupiti konvencionalni električni proboj.

Dokaz postojanja „ odbeglog proboja “ pojavio se 2005. godine, kada su naučnici otkrili ogromnu količinu radijacije sa visokom energijom, u vidu gama zraka. Energija pojedinačnih fotona gama zraka iznosi više od 10 miliona elektron - volti, što je oko 40 puta više od energije x - zraka koja je prethodno zabeležena. Na osnovu merenja, zaključeno je da je izvor emisije verovatno nekoliko kilometara unutar olujnog oblaka. Naučnici nisu očekivali da na ovoj visini otkriju gama - zrake jer su smatrali da atmosfera apsorbuje takva zračenja, ali je intenzitet na izvoru bio toliko jak da su neki fotoni uspeli da dođu do zemlje. Otkriće nagoveštava da se „ odbegli proboj “ možda dogodio unutar olujnog oblaka, u procesu koji je povezan sa izazivanjem munje. Zapažanja su pokazala da je moguće proučavati ovaj fenomen na zemlji, što je eksperimentalno daleko jednostavnije od lansiranja detektora na letelicama ili balonima.

Korišćenje x - zraka u proučavanju munja još uvek je novitet i, svaki put kada se sprovede eksperiment, otkrije se nešto što ranije nije bilo poznato. Već je otkriveno da munje nisu obične varnice kakve se javljaju prilikom dodirivanja kvake. One podrazumevaju egzotičniji tip električnog pražnjenja, koji proizvodi odbegle elektrone i x - zrake. Zato što nam x - zraci dozvoljavaju da posmatramo munje na nov način, ovo istraživanje može pomoći da se reši zagonetka koju je načeo Bendžamin Frenklin, pre dva i po veka.

Mirko Jakovljević