Może to zabrzmieć dziwnie, ale naukowcy wciąż nie mają spójnej teorii opisującej procesy fizyczne zachodzące w wyładowaniach atmosferycznych. Pomysł starożytnych Greków na błyskawicę był w pewnym sensie kompletny – była to broń Zeusa. Na to wygląda, ale też działa w sposób przejrzysty. Jednak fizycy zajmujący się piorunami nadal są zaskoczeni. Odkrycie dokonane przez astrofizyków – wykrycie błysków rentgenowskich w szczególnie niebezpiecznych piorunach wstępujących – pomoże lepiej zrozumieć fizykę tego zjawiska.
Tak, piorun może uderzać nie tylko z góry na dół, ale także z dołu do góry. Zwykle dzieje się tak w przypadku wieżowców i wysokich obiektów. Na poziomie morza zwykle nie obserwuje się wznoszących się błyskawic. Na przykład około 90% piorunów uderzających w wieżę telewizyjną Ostankino skierowane jest w górę. Dzieje się tak co najmniej 30 razy w roku. A jeśli piorun uderza w dół i rozprasza się, wówczas piorun skierowany w górę pozostaje na szczycie konstrukcji znacznie dłużej, co prowadzi do wzrostu obciążenia konstrukcji i piorunochronów. Masowa instalacja turbin wiatrowych o dużej zawartości materiałów kompozytowych prowadzi do zwiększonego ryzyka zniszczenia przez wyładowania atmosferyczne. I to jest problem.
Zespół astrofizyków kierowany przez Tomę Oregel-Chaumont ze Szwajcarskiego Federalnego Instytutu Technologii (EPFL) przeprowadził serię obserwacji wyładowań atmosferycznych skierowanych ku górze, występujących w wieży Säntis w Szwajcarii. Wieża o wysokości 124 m znajduje się na szczycie góry Santi o wysokości 2502 m w Alpach Appenzell – jest to idealne miejsce do występowania i obserwacji wschodzących wyładowań atmosferycznych.
Tradycyjnie pioruny obserwowano i oceniano za pomocą dwóch mierzalnych parametrów. Po pierwsze wyglądem, który dzięki szybkiej fotografii otworzył nowy poziom oceny tego zjawiska. Po drugie, mierząc prądy rozładowania. Obserwacje w zakresie rentgenowskim dostarczają nowych cennych danych, dzięki którym można ocenić procesy fizyczne na różnych etapach przejścia ładunku (energia, kierunek, jonizacja kanałów itp.). Błyski w promieniach rentgenowskich nie są niczym nowym w przypadku wyładowań atmosferycznych skierowanych w dół, ale w przypadku wyładowań skierowanych w górę nigdy nie było możliwe ich wykrycie.
„Faktyczny mechanizm powstawania i rozprzestrzeniania się piorunów nadal pozostaje tajemnicą” – wyjaśnili naukowcy. „Obserwacja wschodzących błyskawic z wieżowców, takich jak Santee Tower, umożliwia skorelowanie pomiarów rentgenowskich z innymi jednocześnie mierzonymi wielkościami, takimi jak szybkie nagrania wideo i prądy elektryczne”.
Po raz pierwszy grupie Oregel-Chaumont udało się zobaczyć promienie rentgenowskie w błyskach wznoszącej się błyskawicy. Szybkie kamery uchwyciły cztery wznoszące się wyładowania z prędkością fotografowania do 24 tysięcy klatek na sekundę. Niektórym wyładowaniom towarzyszyły rozbłyski rentgenowskie, a innym nie. Umożliwiło to zidentyfikowanie różnicy między jednym a drugim, co jest ważne dla zrozumienia fizyki błyskawicy. Emisja promieniowania rentgenowskiego jest bardzo krótka – zanika w ciągu pierwszej milisekundy po utworzeniu lidera – i okazuje się, że jest powiązana z bardzo szybkimi zmianami pola elektrycznego, a także szybkością zmian prądu.
„Jako fizyk lubię móc zrozumieć teorię leżącą u podstaw obserwacji, ale te informacje są również ważne dla zrozumienia błyskawicy z inżynierskiego punktu widzenia” – powiedział Oregel-Chaumont. „Coraz więcej wieżowców, takich jak turbiny wiatrowe i samoloty, buduje się z materiałów kompozytowych. Są mniej przewodzące prąd elektryczny niż metale takie jak aluminium, dlatego nagrzewają się bardziej, przez co są podatne na uszkodzenia spowodowane wyładowaniami atmosferycznymi”.