Już ponad sto lat temu podejrzewano że coś jest na rzeczy
To może brzmieć jak fabuła przebojowej katastrofy science fiction. W rzeczywistości jednak nie ma się czym przejmować. Od początku XX wieku naukowcy są świadomi promieniowania jonizującego - cząsteczek i fal elektromagnetycznych - padającego z kosmosu na atmosferę ziemską. Promieniowanie to może reagować z atomami lub cząsteczkami, niosąc ze sobą energię wystarczającą do uwolnienia elektronów z atomów lub cząsteczek. Pozostawia więc po sobie jon o dodatnim ładunku elektrycznym.
Nieco ponad sto lat temu austriacki fizyk Victor Hess dokonał pomiarów jonizacji w balonie na gorące powietrze pięć kilometrów nad powierzchnią Ziemi. Zauważył on, że stopień jonizacji gwałtownie wzrasta wraz z wysokością, co jest przeciwieństwem tego, czego można by się spodziewać, gdyby źródło promieniowania jonizującego pochodziło z Ziemi. Hess doszedł więc do wniosku, że wysoko w atmosferze musi znajdować się źródło promieniowania o bardzo dużej mocy przenikania. Za odkrycie, tego co zostało nazwane później „promieniami kosmicznymi", otrzymał w 1936 r. Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.
Obecnie wiemy, że promienie kosmiczne składają się z naładowanych cząstek: przede wszystkim elektronów, jąder atomowych i protonów - te ostatnie tworzą jądro wraz z neutronami. Niektóre z nich pochodzą ze Słońca, podczas gdy inne, z odległych eksplozji martwych gwiazd w naszej galaktyce, znanych jako supernowe. Kiedy te promienie kosmiczne dostają się do atmosfery Ziemi, oddziałują z atomami i cząsteczkami, wytwarzając strumień cząstek subatomowych. Wśród nich są neutrony, które nie mają ładunku elektrycznego. W ten sposób promienie kosmiczne są odpowiedzialne za reakcje jądrowe w atmosferze Ziemi. Do dziś sądziliśmy, że jest to np. jedyny naturalny kanał produkujący pierwiastki radioaktywne takie jak węgiel 14C. Słowo „jądrowy", tak złowieszcze w połączeniu z „bombą" lub „odpadami", odnosi się tutaj po prostu do zmian, jakie zachodzą w jądrze atomowym.
Pogoń za neutronami
Prawie sto lat temu znany szkocki fizyk i meteorolog Charles Wilson zaproponował, że burze z piorunami mogą również wywoływać reakcje jądrowe w atmosferze. Wilson, który prowadził badania terenowe w odizolowanym obserwatorium meteorologicznym na szczycie Ben Nevis, najwyższej góry Wielkiej Brytanii, był zafascynowany tworzeniem się chmur i elektrycznością atmosferyczną. Jednak jego sugestia wyprzedziła odkrycie neutronów - jednego z charakterystycznych produktów reakcji jądrowych - o siedem lat, więc jego teza nie mogła zostać przetestowana.
Od czasów Wilsona przeprowadzono wiele badań, w których twierdzono, że wykryto neutrony wytwarzane przez burze, ale żadne z nich nie okazało się ostateczne i bezsprzeczne. Inni poszukiwali energetycznego promieniowania elektromagnetycznego (promieni X i gamma) towarzyszącego lawinie wysokoenergetycznych elektronów, które jak wiemy, są produkowane przez wyładowania atmosferyczne w chmurach burzowych. Obliczenia pokazują, że te elektrony i promienie gamma mogą wybijać neutrony z atomów azotu i tlenu w atmosferze. Jednak mimo że promieniowanie rentgenowskie i gamma zostało zaobserwowane, nigdy nie udało się bezpośrednio zaobserwować reakcji jądrowych zachodzących w burzy.
Nowe podejście
W nowym badaniu zastosowano inne podejście. Zamiast szukać nieuchwytnych neutronów, autorzy opierają się na innych produktach ubocznych reakcji jądrowych. Jeśli elektrony i promieniowanie gamma powodują, że w wyniku reakcji jądrowych po uderzeniu pioruna powstają niestabilne izotopy azotu i tlenu, to po kilku minutach powinny one rozpadać się tworząc stabilne izotopy węgla i azotu. Co istotne, w wyniku tego rozpadu powstaje cząstka zwana „pozytonem". Wszystkie cząstki posiadają swoje wersje antymaterii - mają one taką samą masę, ale przeciwny ładunek. Kiedy antymateria i materia stykają się ze sobą, anihilują się nawzajem w błysku energii. To właśnie tej energii poszukiwali badacze. Używając detektorów promieniowania nad Morzem Japońskim, zaobserwowali oni jednoznaczne ślady promieniowania gamma anihilacji pozytonowo-elektronowej zachodzącej bezpośrednio po uderzeniach piorunów w niskie zimowe chmury burzowe. Jest to wyraźny dowód na reakcje jądrowe zachodzące w chmurach burzowych.
Wyniki te są ważne, ponieważ wskazują na nieznane wcześniej źródło izotopów w atmosferze ziemskiej. Należą do nich węgiel C13, C14 i azot N15, ale przyszłe badania mogą ujawnić także inne, takie jak izotopy wodoru, helu i berylu. Wyniki badań mają również implikacje dla astronomów i naukowców zajmujących się planetami. Inne planety w naszym układzie słonecznym posiadają burze w swoich atmosferach, które mogą wpływać na skład ich atmosfer. Jedną z takich planet jest Jowisz, który w starożytnej mitologii rzymskiej jest... bogiem gromów.
