Pamjet e detajuara më në fund zbulojnë se çfarë shkakton rrufenë

Gjatë një stuhie verore në vitin 2018, një rrufe e rëndësishme shkëlqeu mbi një rrjet radioteleskopësh në Holandë. Regjistrimet e detajuara të teleskopëve, të cilat u përpunuan vetëm kohët e fundit, zbulojnë diçka që askush nuk e ka parë më parë: rrufeja në fakt fillon brenda një reje bubullimash.

Në një punim të ri që së shpejti do të botohet në revistën Geophysical Research Letters, studiuesit përdorën vëzhgimet për të zgjidhur një debat të gjatë rreth asaj që shkakton rrufenë – hapi i parë në procesin misterioz me të cilin bulonat lindin, rriten dhe përhapen në tokë. . “Është disi e turpshme. Është procesi më energjik në planet, ne kemi fe të përqendruara rreth kësaj gjëje dhe nuk e kemi idenë se si funksionon”, tha Brian Hare, një studiues i rrufesë në Universitetin e Groningenit dhe një bashkautor i punimit të ri.

Fotografia e librit shkollor është se, brenda një reje bubullimash, breshër bie ndërsa kristale më të lehta akulli ngrihen. Breshëri fshin elektronet e ngarkuara negativisht të kristaleve të akullit, duke bërë që pjesa e sipërme e resë të ngarkohet pozitivisht ndërsa pjesa e poshtme të ngarkohet negativisht. Kjo krijon një fushë elektrike që rritet derisa një shkëndijë gjigante kërcen nëpër qiell.

Megjithatë, fushat elektrike brenda reve janë rreth 10 herë shumë të dobëta për të krijuar shkëndija. “Njerëzit kanë dërguar balona, ​​raketa dhe aeroplanë në stuhi për dekada dhe nuk kanë parë kurrë fusha elektrike diku afër të madhe”, tha Joseph Dwyer, një fizikant në Universitetin e New Hampshire dhe një bashkëautor në letrën e re, i cili ka habitur. origjina e rrufesë për më shumë se dy dekada. “Ka qenë një mister i vërtetë se si po shkon kjo.”

Një pengesë e madhe është se retë janë të errëta; edhe kamerat më të mira nuk mund të shikojnë brenda për të parë momentin e fillimit. Deri kohët e fundit, kjo u la shkencëtarëve pak zgjidhje përveçse të futeshin në stuhi – diçka që ata e kanë provuar që nga eksperimenti i famshëm i Benjamin Franklinit me qift në vitin 1752. (Sipas një tregimi bashkëkohor, Franklin i bashkoi një çelës një qifti dhe e fluturoi nën një re bubullima , duke vëzhguar se qifti u elektrizua.) Kohët e fundit, balonat e motit dhe raketat kanë ofruar fotografi të brendshme, por prania e tyre tenton të ndërhyjë me të dhënat duke krijuar artificialisht shkëndija që nuk do të ndodhnin natyrshëm. “Për një kohë të gjatë ne nuk e kemi ditur se cilat janë kushtet brenda një stuhie në kohën dhe vendndodhjen që fillon rrufeja,” tha Dwyer.

Kështu Dwyer dhe ekipi i tij iu drejtuan grupit të frekuencës së ulët (LOFAR), një rrjet prej mijëra radioteleskopësh të vegjël kryesisht në Holandë. LOFAR zakonisht shikon galaktikat e largëta dhe yjet që shpërthejnë. Por sipas Dwyer-it, “ndodh që të funksionojë shumë mirë edhe për matjen e rrufesë.”

Kur stuhitë vërtiten lart, ka pak astronomi të dobishme që mund të bëjë LOFAR. Pra, në vend të kësaj, teleskopi akordon antenat e tij për të zbuluar një breshëri prej një milion apo më shumë pulsesh radio që burojnë nga çdo rrufe. Ndryshe nga drita e dukshme, pulset e radios mund të kalojnë nëpër re të trasha.

Përdorimi i detektorëve të radios për të hartuar rrufetë nuk është i ri; Antenat e radios të ndërtuara me qëllim kanë vëzhguar prej kohësh stuhi në New Mexico. Por ato imazhe janë me rezolucion të ulët ose vetëm në dy dimensione. LOFAR, një teleskop astronomik i teknologjisë së fundit, mund të hartojë ndriçimin në një shkallë metër për metër në tre dimensione dhe me një shpejtësi kuadri 200 herë më të shpejtë se sa mund të arrinin instrumentet e mëparshme. “Masjet LOFAR po na japin pamjen e parë vërtet të qartë të asaj që po ndodh brenda stuhisë,” tha Dwyer.

Një rrufe e materializuar prodhon miliona pulse radio. Për të rindërtuar një imazh 3D të rrufesë nga grumbulli i të dhënave, studiuesit përdorën një algoritëm të ngjashëm me atë të përdorur në uljet e Apollonit në hënë. Algoritmi përditëson vazhdimisht atë që dihet për pozicionin e një objekti. Ndërsa një antenë e vetme radio mund të tregojë vetëm drejtimin e përafërt të blicit, duke shtuar të dhëna nga një antenë e dytë përditëson pozicionin. Duke unazuar vazhdimisht në mijëra antena të LOFAR, algoritmi ndërton një hartë të qartë.

Kur studiuesit analizuan të dhënat nga rrufeja e gushtit 2018, ata panë se pulset e radios dilnin të gjitha nga një rajon 70 metra i gjerë thellë brenda resë së stuhisë. Ata shpejt konkluduan se modeli i pulseve mbështet një nga dy teoritë kryesore se si fillon lloji më i zakonshëm i rrufesë.

Një ide thotë se rrezet kozmike – grimcat nga hapësira e jashtme – përplasen me elektronet brenda stuhive, duke shkaktuar ortekë elektronikë që forcojnë fushat elektrike.

Vëzhgimet e reja tregojnë për teorinë rivale. Fillon me grupe kristalesh akulli brenda resë. Përplasjet e turbullta midis kristaleve në formë gjilpëre fshijnë disa nga elektronet e tyre, duke lënë njërin skaj të secilit kristal akulli të ngarkuar pozitivisht dhe tjetrin të ngarkuar negativisht. Fundi pozitiv tërheq elektrone nga molekulat e ajrit aty pranë. Më shumë elektrone rrjedhin nga molekulat e ajrit që janë më larg, duke formuar shirita të ajrit të jonizuar që shtrihen nga çdo majë kristal akulli. Këta quhen transmetues.

Çdo majë kristali krijon një mori streamers, me streamers individuale degëzohen përsëri dhe përsëri. Transmetuesit ngrohin ajrin përreth, duke shkëputur elektronet nga molekulat e ajrit në masë në mënyrë që një rrymë më e madhe të rrjedhë mbi kristalet e akullit. Përfundimisht, një transmetues bëhet mjaft i nxehtë dhe përcjellës për t’u shndërruar në një lider – një kanal përgjatë të cilit mund të udhëtojë papritmas një varg i plotë rrufeje.

“Kjo është ajo që ne po shohim,” tha Christopher Sterpka, autori i parë në punimin e ri. Në një film që tregon fillimin e blicit që studiuesit bënë nga të dhënat, pulset e radios rriten në mënyrë eksponenciale, me gjasë për shkak të përmbytjes së transmetuesve. “Pasi ndalon orteku, ne shohim një udhëheqës rrufe aty pranë,” tha ai. Në muajt e fundit, Sterpka ka përpiluar më shumë filma për fillimin e rrufesë që duken të ngjashëm me të parët.

Roli kryesor i kristaleve të akullit përputhet me gjetjet e fundit se aktiviteti i rrufesë ra me më shumë se 10% gjatë tre muajve të parë të pandemisë COVID-19. Studiuesit ia atribuojnë këtë rënie bllokimeve, të cilat çuan në më pak ndotës në ajër, dhe kështu më pak vende bërthamore për kristalet e akullit.

“Hapat e vendosur nga LOFAR janë sigurisht shumë domethënëse,” tha Ute Ebert, një fizikan në Universitetin e Teknologjisë Eindhoven në Holandë, i cili studion fillimin e rrufesë, por nuk ishte i përfshirë në punën e re. Ajo tha se filmat e inicimit të LOFAR ofrojnë një kornizë nga e cila mund të ndërtohen modele dhe simulime të sakta rrufeje, të cilat deri më tani janë frenuar nga mungesa e të dhënave me rezolucion të lartë.

Ebert vëren, megjithatë, se pavarësisht rezolucionit të tij, filmi i fillimit i përshkruar në dokumentin e ri nuk i imazhon drejtpërdrejt grimcat e akullit që jonizojnë ajrin – ai vetëm tregon se çfarë ndodh menjëherë më pas. “Nga vjen elektroni i parë? Si fillon shkarkimi pranë një grimce akulli?” ajo pyeti. Pak studiues ende favorizojnë teorinë rivale që rrezet kozmike nisin drejtpërdrejt rrufetë, por rrezet kozmike mund të luajnë ende një rol dytësor në krijimin e elektroneve që nxisin transmetuesit e parë që lidhen me kristalet e akullit, tha Ebert. Saktësisht se si transmetuesit kthehen në liderë është gjithashtu një “çështje e debatit të madh”, tha Hare.

Dwyer shpreson që LOFAR do të jetë në gjendje të zgjidhë këto procese në shkallë milimetrash. “Ne po përpiqemi të shohim ato shkëndijat e para të vogla që dalin [kristalet e akullit] për të kapur veprimin e fillimit që në fillim,” tha ai.

Fillimi është vetëm i pari nga shumë hapa të ndërlikuar që rrufeja ndërmerr në rrugën e saj drejt tokës. “Ne nuk e dimë se si përhapet dhe rritet,” tha Hare. “Ne nuk e dimë se si lidhet me tokën.” Shkencëtarët shpresojnë të hartojnë të gjithë sekuencën me rrjetin LOFAR. “Është një aftësi krejtësisht e re dhe mendoj se do të rrisë kuptimin tonë për rrufetë në hapa të mëdhenj,” tha Julia Tilles, një studiuese e vetëtimave në Laboratorët Kombëtarë Sandia në Nju Meksiko.