Particulele cosmice sondează câmpurile electrice din furtuni
Telescopul de muoni GRAPES-3, construit pentru studiul razelor cosmice, s-a dovedit a fi un instrument eficient pentru investigarea furtunilor. Observațiile au arătat că norii de furtună pot dezvolta diferențe de potențial electric mult mai mari decât cele măsurate direct, dar au scos la iveală și o asimetrie neașteptată: instrumentul a detectat mult mai multe evenimente de furtună în partea estică a câmpului său vizual decât în cea vestică.
Un studiu publicat în Journal of Cosmology and Astroparticle Physics explică acum motivul. Asimetria nu înseamnă că furtunile sunt mai frecvente spre est, ci provine din modul în care câmpul geomagnetic afectează razele cosmice care traversează magnetosfera terestră, făcând instrumentul mai sensibil la furtunile din anumite direcții.
Muonii ca sondă naturală
Razele cosmice reprezintă un flux de particule de energie extrem de mare care ajung la Pământ din spațiul cosmic. Majoritatea sunt protoni, iar pentru că sunt încărcați electric, traiectoriile lor sunt deviate de câmpul magnetic terestru. Când intră în atmosferă, aceștia se ciocnesc cu nucleele atomice și generează cascade de particule secundare, printre care se numără muonii — particule încărcate cu durată scurtă de viață, care se deplasează aproape cu viteza luminii.
GRAPES-3, situat în Ooty, India, include un telescop de muoni de 560 de metri pătrați care înregistrează aproximativ 4 miliarde de muoni zilnic. Muonii pozitivi sunt mai abundenți decât cei negativi, iar acest dezechilibru permite instrumentului să sondeze furtunile. Când muonii traversează câmpurile electrice intense din norii de furtună, particulele pozitive și negative sunt afectate în moduri opuse, producând o modificare măsurabilă a fluxului total.
Un potențial de 1,3 gigavolți
Într-un studiu anterior, echipa GRAPES-3 a măsurat un potențial de 1,3 gigavolți într-o furtună. Ideea că furtunile pot genera astfel de tensiuni nu este nouă — fizicianul Charles Thomson Rees Wilson, laureat al Premiului Nobel în 1927, a sugerat acest lucru încă din anii 1920. Totuși, măsurătorile directe ajunseseră anterior doar la aproximativ 130 de milioane de volți.
Între aprilie 2011 și decembrie 2020, GRAPES-3 a detectat 487 de evenimente de furtună. Dintre acestea, 81,5% au apărut în partea estică a câmpului vizual, iar doar 13,7% în vest — o diferență de aproape șase la unu. O serie independentă de instrumente care monitorizează câmpul electric atmosferic a confirmat că furtunile reale nu au o preferință similară pentru est.
Efectul est-vest
Explicația constă în efectul est-vest, cunoscut de aproape un secol. Particulele cosmice pozitive pot ajunge în atmosferă mai ușor din anumite direcții, deoarece câmpul magnetic terestru le deviază. Particulele pozitive de joasă energie care vin din est sunt filtrate mai puternic decât cele care vin din vest. Acest prag direcțional, cunoscut sub numele de limita geomagnetică, variază semnificativ pe câmpul vizual al instrumentului.
Simulările computerizate au arătat că raportul dintre muonii pozitivi și cei negativi se modifică în funcție de direcție: aproximativ 1,37 spre est și 1,14 spre vest. Această diferență face ca GRAPES-3 să fie mai sensibil la efectele electrice ale furtunilor din est, fără ca tensiunea să fie diferită.
Măsurătorile directe ale potențialului electric din interiorul norilor de furtună sunt dificile, necesitând instrumente transportate de aeronave sau baloane meteorologice. Muonii oferă o abordare alternativă: traversează continuu atmosfera și pot fi monitorizați de la sol. Deși GRAPES-3 a fost construit pentru studiul particulelor din spațiu, aceste particule ajută acum cercetătorii să înțeleagă un fenomen familiar, dar încă misterios, al planetei noastre.
