Tordenvejr skaber radioaktivitet, opdager forskere

Torden og lyn har udløst ærefrygt og frygt hos mennesker siden umindelige tider. I både moderne og antikke kulturer, disse naturfænomener menes ofte at være styret af nogle af de vigtigste og mest magtfulde guder - Indra i hinduismen, Zeus i græsk mytologi og Thor i nordisk mytologi.

Vi ved, at tordenvejr kan udløse en række bemærkelsesværdige effekter, oftest strømafbrydelser, haglstorme og kæledyr, der gemmer sig under senge. Men det viser sig, at vi stadig har ting at lære om dem. En ny undersøgelse, udgivet i Nature, har nu vist, at tordenvejr også kan producere radioaktivitet ved at udløse nukleare reaktioner i atmosfæren.

Dette kan lyde som plottet af en storslået science fiction-katastrofe. Men i virkeligheden, det er ikke noget at bekymre sig om. Siden begyndelsen af ​​det 20. århundrede, forskere har været opmærksomme på, at ioniserende stråling – partikler og elektromagnetiske bølger, der kan beskadige celler – regner ned i jordens atmosfære fra rummet. Denne stråling kan reagere med atomer eller molekyler, bærer nok energi til at frigøre elektroner fra enten atomer eller molekyler. Den efterlader derfor en "ion" med en positiv elektrisk ladning.

For lidt over et århundrede siden, den østrigske fysiker Victor Hess foretog målinger af ionisering i en varmluftballon fem kilometer over jordens overflade. Han bemærkede, at ioniseringshastigheden steg hurtigt med højden, det modsatte af, hvad man kunne forvente, hvis kilden til den ioniserende stråling kom fra jorden. Hess konkluderede derfor, at der må være en strålingskilde med meget høj gennemtrængende kraft placeret over atmosfæren. Han blev udnævnt til medmodtager af Nobelprisen i fysik i 1936 for sin opdagelse, senere døbt "kosmiske stråler".

Vi ved nu, at kosmiske stråler består af ladede partikler:primært, elektroner, atomkerner og protoner - sidstnævnte udgør kernen sammen med neutroner. Nogle stammer fra solen, mens andre kommer fra de fjerne eksplosioner af døde stjerner i vores galakse, kendt som supernovaer. Når disse kosmiske stråler trænger ind i jordens atmosfære, de interagerer med atomer og molekyler for at producere en byge af subatomære partikler. Blandt disse er neutroner, som ikke har nogen elektrisk ladning.

Det er disse neutroner, der gør radiocarbondatering mulig. De fleste carbonatomer har seks protoner og enten seks eller syv neutroner i deres kerner (kaldet henholdsvis "isotoper 12C og 13C"). Imidlertid, neutroner produceret af kosmiske stråler kan reagere med atmosfærisk nitrogen for at skabe 14C, en tung og ustabil isotop af kulstof, der, over tid, vil "radioaktivt henfalde" (deles op, mens den udsender stråling) tilbage til nitrogen.

I naturen, 14C er utrolig sjælden og udgør kun omkring én ud af en billion kulstofatomer. Men, bortset fra dets vægt og radioaktive egenskaber, 14C er grundlæggende identisk med de mere almindelige kulstofisotoper. Det oxiderer og danner kuldioxid og kommer ind i fødekæden, da planter absorberer den radioaktive CO ₂ .

Forholdet mellem 12C og 14C i en given organisme vil begynde at ændre sig, når den organisme dør og holder op med at indtage kulstof. 14C, der allerede er i sit system, begynder derefter at henfalde. Det er en langsom proces, da 14C har en radioaktiv halveringstid på 5, 730 år, men det er forudsigeligt, hvilket betyder, at organiske prøver kan dateres ved at måle forholdet mellem 12C og 14C, der stadig er tilbage.

På denne måde kosmiske stråler er ansvarlige for nukleare reaktioner i jordens atmosfære. Indtil i dag, vi troede, det var den eneste naturlige kanal, der producerede radioaktive grundstoffer såsom 14C. Ordet "atomkraft", så uhyggeligt, når man samarbejder med "bombe" eller "affald", refererer blot til de ændringer, der sker i en atomkerne.

Jagter neutroner

For næsten 100 år siden, den anerkendte skotske fysiker og meteorolog Charles Wilson foreslog, at tordenvejr også kunne udløse nukleare reaktioner i atmosfæren. Wilson, som foretog feltarbejde ved det isolerede meteorologiske observatorium på toppen af ​​Ben Nevis, Storbritanniens højeste bjerg, var fascineret af tordenskydannelse og atmosfærisk elektricitet. Imidlertid, hans forslag gik syv år forud for opdagelsen af ​​neutronen – et af de afslørende produkter af kernereaktioner – så hans forslag kunne ikke afprøves.

Siden Wilsons tid, der har været mange undersøgelser, der har hævdet at have opdaget tordenvejr-producerede neutroner, men ingen har vist sig at være endegyldige. Andre har søgt efter energetisk elektromagnetisk stråling (røntgenstråler og gammastråler), der ledsager lavinen af ​​højenergielektroner, som vi ved produceres ved lynnedslag i tordenskyer. Beregninger viser, at disse elektroner og gammastråler kan slå neutroner ud af nitrogen og ilt i atmosfæren. Men selvom røntgenstråler og gammastråler er blevet observeret, der har aldrig været en direkte observation af de deraf følgende nukleare reaktioner, der finder sted i et tordenvejr.

Den nye undersøgelse bruger en anden tilgang. I stedet for at lede efter de undvigende neutroner, forfatterne stoler på andre biprodukter af kernereaktionerne. Hvis elektroner og gammastråler forårsager dannelse af ustabile isotoper af nitrogen og oxygen ved kernereaktioner efter et lynnedslag, disse bør henfalde efter et par minutter for at danne stabile isotoper af kulstof og nitrogen.

Afgørende, dette henfald producerer en partikel kendt som en "positron", "antistof"-versionen af ​​elektronen. Alle partikler har antistofversioner af sig selv - disse har den samme masse, men den modsatte ladning. Når antistof og stof kommer i kontakt, de tilintetgør i et glimt af energi. Det er den energi, forskerne ledte efter. Brug af strålingsdetektorer, der kigger ud over det japanske hav, de observerede de utvetydige gammastråle-fingeraftryk af positron-elektronudslettelse, der fandt sted umiddelbart efter lynnedslag i lave vintertordenskyer. Dette er et klart bevis på nukleare reaktioner, der finder sted i tordenskyer.

Disse resultater er vigtige, da de viser en hidtil ukendt kilde til isotoper i Jordens atmosfære. Disse omfatter kulstof-13, kulstof-14 og nitrogen-15, men fremtidige undersøgelser kan også afsløre andre, såsom isotoper af brint, helium og beryllium.

Resultaterne har også konsekvenser for astronomer og planetforskere. Andre planeter i vores solsystem har tordenvejr i deres atmosfærer, der kan bidrage til sammensætningen af ​​deres atmosfærer. En af disse planeter er Jupiter, som passende nok også er tordenguden i gammel romersk mytologi.

Denne artikel blev oprindeligt publiceret på The Conversation. Læs den originale artikel.