Yıldırımı Ne Tetikler? Bilim İnsanları Nihayet Bu Gizemi Çözdü
Yüzyıllardır bilim insanları, yıldırımın, bir gök gürültüsü bulutunun içindeki yük dengesizliklerinin çevredeki havayı parçalaması sonucu deşarj olduğunu anlamışlardır. Ancak tüm süreci harekete geçiren anlık fizik, inatla anlaşılmaz olmuştur.
Şimdi, Penn State elektrik mühendisi Victor Pasko liderliğindeki bir araştırma ekibi bilmeceyi çözmüş olabilir. En son matematiksel modellemelerden ve giderek büyüyen saha gözlem kütüphanesinden yararlanan ekip, birkaç başıboş elektronla başlayıp kör edici bir gök gürültüsüyle son bulan zincirleme reaksiyonu izledi.
Pasko, “Bulgularımız, doğada yıldırımın nasıl başladığına dair ilk kesin ve nicel açıklamayı sunuyor,” diye açıkladı. “X ışınları, elektrik alanları ve elektron çığlarının fiziği arasındaki noktaları birleştiriyor.”
Küçük çarpışmalar, büyük kıvılcımlar
Yeni açıklamanın merkezinde, iki atmosferik gerçekliğin kesiştiği nokta yatıyor. İlk olarak, her gök gürültülü bulut, pozitif ve negatif yükleri ayıran yükselen akımlar nedeniyle güçlü elektrik alanlarıyla kaplıdır. İkinci olarak, üst atmosfer, neredeyse ışık hızında Dünya’ya doğru ilerleyen kozmik ışın elektronlarıyla sürekli olarak doludur.
Fotoelektrik Geri Besleme Deşarjı modeli adı verilen sayısal bir çerçeve kullanan araştırmacılar, yeterince güçlü bir bulut alanının kozmik ışın elektronlarını aşırı hızda çalıştırabileceğini gösterdiler.
Hızlanan parçacıklar, nitrojen ve oksijen moleküllerine çarparak yüksek enerjili X ışınları yayar ve yeni bir elektron dalgası oluşturur. Bu da daha fazla çarpışmaya yol açarak fizikçilerin görelilikçi kaçak elektron çığı adını verdiği şeyi yaratır.
Pasko, “Sahada gözlemlenen koşulları taklit eden modelimizle koşulları simüle ederek, gök gürültülü bulutların içinde bulunan X-ışınları ve radyo emisyonları için eksiksiz bir açıklama sunduk” dedi.
“Fırtınalı bulutlardaki güçlü elektrik alanları tarafından hızlandırılan elektronların, nitrojen ve oksijen gibi hava molekülleriyle çarpıştığında nasıl X ışınları ürettiğini ve yıldırımı başlatan yüksek enerjili fotonlar üreten bir elektron çığı yarattığını gösterdik.”
Şimşeğin köklerine doğru iz sürmek
Doktora öğrencisi Zaid Pervez, modelin stres testine öncülük etti. Uydular, yer alıcıları ve hatta fırtınaların içinde gizlice oluşan havai fişekleri yakalayan yüksek irtifa casus uçakları tarafından toplanan verileri modele aktardı.
Pervez ayrıca daha önce kompakt bulutlar arası deşarjlar (küçük, yoğun bulut hacimlerinin içindeki küçük şimşek çakmaları) üzerine yapılan çalışmalara da atıfta bulundu.
Pervez, “Fotoelektrik olayların nasıl meydana geldiğini, elektron akışının başlaması için gök gürültülü bulutların hangi koşullara ihtiyaç duyduğunu ve yıldırım düşmesinden önce bulutlarda gözlemlediğimiz çok çeşitli radyo sinyallerinin nedenini açıkladık” dedi.
Sonuçlar uyumluydu. Model, gözlemlerden çıkarılan elektrik alanı şiddetlerini tam olarak yeniden oluşturduğunda, aynı X-ışını ve radyo dalgası patlamalarını tahmin ediyordu. Bunlar, araştırmacıların onlarca yıldır katalogladığı ancak hiçbir zaman tam olarak anlayamadığı sinyallerdi.
Ekip, bu görünmez sinyallerin çığ halindeki elektronların habercisi olduğunu ve bir bulutun ateşlenmeye hazır olduğunun en kesin işareti olduğunu savunuyor.
Bulutun içindeki gizli fırtına
Şimşek bilimcileri, uzun zamandır karasal gama ışını parlamaları olarak adlandırılan, gök gürültülü fırtınaların üzerinde tespit edilen milisaniyelik X ve gama ışını parlamaları üzerinde kafa yoruyor. Uydular, belirgin bir şimşek çakması olmasa bile bunları gözlemliyor. Yeni çerçeve nihayet bu uyumsuzluğu açıklıyor.
Pasko, “Modellememizde, göreli elektron çığlarının ürettiği yüksek enerjili X ışınları, havadaki fotoelektrik etkiyle yönlendirilen yeni tohum elektronları üretiyor ve bu çığları hızla büyütüyor” dedi.
Bu kontrolsüz tepkime, optik ve radyo sinyalleri zayıf veya yokken bile X ışınları üreterek güç bakımından farklılık gösterir.
“Bu, gama ışını flaşlarının optik olarak sönük ve radyo sessizliği olan kaynak bölgelerinden neden ortaya çıkabildiğini açıklıyor” dedi.
Başka bir deyişle, bir bulut, insanların aşağıdan fark edebileceği tam teşekküllü bir şimşek çakması yaratmadan, şiddetli ve görünmez bir elektron ve foton fırtınasına ev sahipliği yapabilir. Ancak çığ yeterince büyüdüğünde, bulut geleneksel şimşeklerle çatırdar.
Yıldırım düşmeden önce fark etmek
Fotoelektrik Geri Besleme Deşarjı modeli, çığların kendi kendine devam edebilmesi için gereken kesin eşikleri ortaya koyduğu için meteorologlara ve atmosfer fizikçilerine somut bir tahmin aracı sunmaktadır.
Yayımlanan denklemler araştırmacıları gerçek zamanlı saha verilerini kullanmaya veya bunları alışılmadık ortamlarda test etmeye davet ediyor.
Çalışma, bilim insanlarının gama ışını parlamalarının uydudan tespitlerini yorumlama biçimini yeniden şekillendirebilir ve yıldırım tahmin algoritmalarını geliştirebilir. Ayrıca, mavi jetler ve elfler gibi yüksek irtifadaki elektriksel olayları da aydınlatabilir.
Araştırmanın pratik sonuçları da var: Yıldırım, hava kaynaklı ölümlerin önde gelen nedenlerinden biri olmaya devam ediyor ve havayollarına ve enerji şirketlerine her yıl milyarlarca dolara mal oluyor.
3 boyutlu fırtına simülasyonları
Bir sonraki zorluk, modeli üç boyutlu bulut ölçekli simülasyonlarla entegre ederek, yerel çığların kilometrelerce uzunlukta kanallara nasıl birleştiğini yakalamaktır.
Pervez ve meslektaşları, volkanik püskürmeler veya Mars toz fırtınaları gibi çok farklı fırtına ortamlarının aynı şablonu izleyip izlemediğini test etmek için de istekliler.
Şimdilik bu bulgu, atmosfer biliminin en kalıcı boşluklarından birini kapatıyor. Kozmik elektronların, kükreyen elektrik alanlarının ve ardışık fotonların görünmez dansı, tanık olduğumuz her şimşek çakmasının sessiz geri sayımı gibi görünüyor.
Pasko’nun ekibi, bu dansı sayılarla yakalayarak gökyüzünü elektriklendiren gizli kıvılcımı aydınlattı.
Derleyen: Feyza ÇETİNKOL
Kaynak: Yıldırımı Ne Tetikler? Bilim İnsanları Nihayet Bu Gizemi Çözdü
/Yıldırımı Ne Tetikler? Bilim İnsanları Nihayet Bu Gizemi Çözdü/