Als Benjamin Franklin einen Schlüssel an einen Drachen band und ihn in einen Gewittersturm flog, wurde er kurzzeitig zu einem Gerät, das an den stärksten Stromgenerator der Erde angeschlossen war.
Franklin wusste, wie die meisten Menschen, dass Gewitter unglaublich stark sind. Forscher haben versucht, genau zu schätzen Wie Seit mehr als einem Jahrhundert leistungsstark, aber immer zu kurz gekommen - selbst die modernsten Sensoren in der Luft sind unzureichend, weil Gewitterwolken einfach zu groß und unvorhersehbar sind, um gemessen zu werden.
In einem Artikel, der am 15. März in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht wurde, haben Forscher in Ooty, Indien, eine schockierende neue Antwort gefunden - dank der Hilfe einiger kosmischer Strahlen.
Mit einer Reihe von Sensoren zur Messung elektrischer Felder und der Intensität von Myonen - schwere Partikel, die ständig aus der oberen Erdatmosphäre herabregnen und beim Durchgang durch Materie zerfallen - maß das Team die Spannung einer großen Gewitterwolke, die 18 Minuten lang über Ooty rollte am 1. Dezember 2014. Die Forscher fanden heraus, dass die Wolke im Durchschnitt mit etwa 1,3 Gigavolt Strom aufgeladen war, was 1,3 mal 10 ^ 9 Volt entspricht - ungefähr 10 Millionen mal mehr Spannung, als von einer typischen Steckdose in geliefert wird Nordamerika.
"Dies erklärt, warum Gewitterwolken so zerstörerisch sind", sagte Sunil Gupta, Co-Autor der Studie, ein Forscher für kosmische Strahlung am indischen Tata Institute of Fundamental Research, gegenüber Live Science. "Wenn Sie diese enorme Menge an Energie durch irgendetwas zerstreuen, wird dies schwere Verwüstungen verursachen."
Es regnet Myonen
Gupta und seine Kollegen untersuchen hauptsächlich Myonen - elektronenähnliche Teilchen, die entstehen, wenn kosmische Strahlen in verschiedene Atome der Erdatmosphäre einschlagen. Diese Teilchen haben etwa die Hälfte des Elektronenspins, aber das 200-fache des Gewichts und können Materie sehr gut durchdringen. Ein Myon, das aus der Atmosphäre regnet, kann in nur einem Bruchteil einer Sekunde tief in den Ozean oder kilometerweit unter der Erde wandern, solange es über genügend Energie verfügt.
Myonen verlieren ihre Energie, wenn ihnen etwas im Weg steht - zum Beispiel eine Pyramide. Anfang 2018 entdeckten Wissenschaftler zwei bisher unbekannte Kammern in der Großen Pyramide von Gizeh, indem sie Myonendetektoren um die Struktur herum aufstellten und maßen, wo die Partikel Energie verloren (und nicht verloren). Myonen, die durch die Steinmauern der Pyramide gingen, verloren mehr Energie als Myonen, die durch die großen, leeren Kammern gingen. Die Ergebnisse ermöglichten es den Forschern, eine neue Karte des Inneren der Pyramide zu erstellen, ohne einen Fuß hinein zu setzen.
Gupta und seine Kollegen verwendeten eine ähnliche Methode, um die Energie in der Ooty-Gewitterwolke abzubilden. Anstatt mit Stein zu kämpfen, standen Myonen, die durch die Wolke fielen, einem turbulenten elektrischen Feld gegenüber.
"Gewitter haben oben eine positiv geladene Schicht und unten eine negativ geladene Schicht", sagte Gupta. "Wenn ein positiv geladenes Myon auf die Wolke trifft, während es aus der oberen Atmosphäre regnet, wird es abgestoßen und verliert Energie."
Mit einer Reihe von Myonendetektionssensoren und vier elektrischen Feldmonitoren, die über mehrere Meilen verteilt waren, maßen die Forscher den durchschnittlichen Energieverlust zwischen Myonen, die durch die Gewitterwolke gingen, und solchen, die sie nicht passierten. Aus diesem Energieverlust konnte das Team berechnen, wie viel elektrisches Potential die Partikel in der Gewitterwolke durchlaufen hatten.
Es war massiv.
"Wissenschaftler schätzten, dass Gewitterwolken in den 1920er Jahren ein Gigavolt-Potenzial haben könnten", sagte Gupta. "Aber es wurde nie bewiesen - bis jetzt."
Den Donner kartieren
Sobald die Forscher das elektrische Potential der Wolke kannten, wollten sie noch einen Schritt weiter gehen und genau messen, wie viel Kraft die Gewitterwolke trug, als sie über Ooty brüllte.
Unter Verwendung der Daten ihrer weit verteilten elektrischen Feldmonitore füllte das Team einige wichtige Details über die Wolke aus - das heißt, sie bewegte sich mit einer Geschwindigkeit von etwa 60 km / h in einer Höhe von 11,4 km über dem Meeresspiegel. hatte eine geschätzte Fläche von 146 Quadratmeilen (380 Quadratkilometer, eine Fläche, die etwa sechsmal so groß ist wie Manhattan) und erreichte sein maximales elektrisches Potential nur 6 Minuten nach dem Erscheinen.
Mit diesem Wissen konnten die Forscher schließlich berechnen, dass das Gewitter etwa 2 Gigawatt Leistung trug, was diese einzelne Wolke leistungsfähiger machte als die leistungsstärksten Kernkraftwerke der Welt, sagte Gupta.
"Die hier gespeicherte Energiemenge reicht aus, um 26 Minuten lang den gesamten Strombedarf einer Stadt wie New York City zu decken", sagte Gupta. ""Wenn du könntest es nutzen. "
Mit der gegenwärtigen Technologie ist dies eine unwahrscheinliche Aussicht, bemerkte Gupta: Die Menge an Energie, die durch einen solchen Sturm verbraucht wird, ist so hoch, dass sie wahrscheinlich jeden Leiter zum Schmelzen bringen würde.
Dennoch könnte das gewaltige Potenzial von Gewittern dazu beitragen, ein kosmisches Rätsel zu lösen, das Wissenschaftler wie Gupta und seine Kollegen seit Jahrzehnten gefragt haben: Warum erkennen Satelliten manchmal hochenergetische Gammastrahlen, die aus der Erdatmosphäre herausstrahlen, wenn sie aus dem Weltraum regnen sollten? ?
Wenn Gewitter tatsächlich ein elektrisches Potential von mehr als einem Gigavolt erzeugen können, könnten sie laut Gupta auch Elektronen schnell genug beschleunigen, um andere Atome in der Atmosphäre auseinanderzubrechen und Gammastrahlenblitze zu erzeugen.
Diese Erklärung erfordert mehr Forschung, um ihre Genauigkeit zu überprüfen, sagte Gupta. Bestaunen Sie in der Zwischenzeit unbedingt die nächste Gewitterwolke, die Sie sehen, denn sie ist eine unergründlich mächtige Naturgewalt - und denken Sie bitte zweimal darüber nach, bevor Sie einen Drachen steigen lassen.
