Forskere forbinder lyn med gamma-strålefænomener i skyer

University of Tokyo kandidatstuderende Yuuki Wada har sammen med kolleger fra Japan opdaget en sammenhæng mellem lynnedslag og to slags gamma-strålefænomener i tordenskyer. Forskningen tyder på, at under visse forhold, svage gammastråler fra tordenskyer kan gå forud for lyn og deres medfølgende gammastråleglimt.

I byen Kanazawa, Ishikawa præfektur, i det centrale Japan, Wada og kolleger arbejder sammen med lokale skoler og virksomheder om at installere strålingsmonitorer på bygninger. Disse strålingsmonitorer danner et netværk til at registrere stråling, der kommer fra himlen. Overraskende nok, det har været kendt i omkring 30 år, at tordenvejr kan bringe gammastråleaktivitet med sig.

"Folk har altid set lyn og hørt torden. Det var de måder, vi kunne opleve denne naturkraft på, " sagde Wada. "Med opdagelsen af ​​elektromagnetisme, videnskabsmænd lærte at se lyn med radiomodtagere. Men nu, vi kan observere lyn i gammastråler - ioniserende stråling. Det er som at have fire øjne til at studere fænomenerne."

Der er to kendte slags gammastrålefænomener forbundet med tordenskyer:gammastråler, svage emissioner, der varer omkring et minut, og kortvarige terrestriske gammastråleglimt (TGF'er), som opstår når lynet slår ned og er meget mere intense end gammastråler. Begge forekommer i områder med tordenskyer klemt mellem lag med varierende ladning. De ladede områder accelererer elektroner til nær lysets hastighed. Ved disse relativistiske hastigheder, elektroner, der forvilder sig meget tæt på kernerne af nitrogenatomer i luften, bremses lidt og udsender en afslørende gammastråle. Dette kaldes bremsstrahlung stråling.

"Under et vintertordenvejr i Kanazawa, vores skærme registrerede et samtidig TGF og lynnedslag. Dette er ret almindeligt, men interessant nok, vi så også en gammastråle i det samme område på samme tid, " fortsatte Wada. "Yderligere, skæret forsvandt brat, da lynet slog ned. Vi kan endegyldigt sige, at begivenhederne er tæt forbundet, og det er første gang, denne forbindelse er blevet observeret."

Mekanismen bag lynudladning er meget eftertragtet, og denne forskning kan give hidtil ukendt indsigt. Wada og teamet har til hensigt at fremme deres undersøgelse for at undersøge muligheden for, at gammastråler ikke kun går forud for lynnedslag, men kan faktisk forårsage dem. Strålingsniveauerne af gammastråler er ret lave, cirka en tiendedel af niveauet fra et typisk medicinsk røntgenbillede.

"Vores fund markerer en milepæl inden for lynforskning, og vi vil snart fordoble vores antal strålingssensorer fra 23 til omkring 40 eller 50. Med flere sensorer, vi kunne i høj grad forbedre prædiktive modeller, " forklarede Wada. "Det er svært at sige lige nu, men med tilstrækkelige sensordata, vi kan muligvis forudsige lynnedslag inden for omkring 10 minutter efter det er sket, og inden for omkring to kilometer fra, hvor de sker. Jeg er spændt på at være en del af denne igangværende forskning."

Yderligere undersøgelser vil sandsynligvis også finde sted i Kanazawa, da området har sjældne og ideelle meteorologiske forhold til denne form for arbejde. De fleste strålingsobservationer i storme kommer fra luftbårne eller bjergbaserede stationer, da tordenskyer generelt er meget højt oppe. Men vinterstorme i Kanazawa bringer tordenskyer overraskende tæt på jorden, ideel til studier med de billige bærbare skærme udviklet af forskerholdet.

Forskerne skabte disse unikke bærbare strålingsmonitorer delvist med teknologi afledt af rumbaserede satellitobservatorier designet til astrofysiske eksperimenter. Dette er passende, da data fra denne form for forskning kunne være nyttige for dem, der forsker i astrofysik, og især, solfysik i sammenhæng med partikelacceleration. Men der er en mere jordnær udløber, såvel.

"Palæontologer, der studerer livet fra de sidste 50, 000 år eller deromkring bruge en teknik kaldet kulstof-14-datering til at bestemme alderen på en prøve. Teknikken bygger på viden om niveauerne af to slags kulstof, kulstof-12 og kulstof-14, " sagde Wada. "Det er almindeligt antaget, at kulstof-14 skabes af kosmiske stråler med en nogenlunde konstant hastighed, derfor teknikkens forudsigelseskraft. Men der er et forslag om, at tordenvejr kan ændre forholdet mellem kulstof-12 og kulstof-14, hvilket kan ændre nøjagtigheden af ​​eller kalibrering, der kræves for, at kulstof-14-datering virker."

Wada og kolleger vil fortsætte med at udpakke lynets mysterier, et af naturens mest fængslende og ikoniske fænomener. Et kommende samarbejdsprojekt baseret i Frankrig vil opsende en dedikeret satellit til verdensomspændende lynobservationer fra rummet.

Forskningen er rapporteret i Kommunikationsfysik .