Le simulazioni dimostrano che i fulmini sulla Terra sono innescati da una potente reazione a catena proveniente dallo spazio. / Lightning on Earth is sparked by a powerful chain reaction from outer space, simulations show

Le simulazioni dimostrano che i fulmini sulla Terra sono innescati da una potente reazione a catena proveniente dallo spazio. / Lightning on Earth is sparked by a powerful chain reaction from outer space, simulations show

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Un fulmine colpisce un temporale in avvicinamento a Trieste, Italia.  / Lightning strikes from a storm approaching Trieste, Italy.

Un nuovo modello potrebbe aver finalmente chiarito da dove le nubi temporalesche ricavano l'energia mancante.

Secondo un nuovo studio, l'energia necessaria per i temporali potrebbe provenire da una valanga di elettroni rilasciati dai raggi cosmici extraterrestri.

Gli scienziati sapevano già che i fulmini sono una scarica elettrica tra le nubi temporalesche e la superficie terrestre, ma il modo esatto in cui le nubi temporalesche riescano a generare un campo elettrico sufficientemente potente da scagliare un fulmine è rimasto un mistero per secoli.

Ora, un nuovo studio ha utilizzato modelli computerizzati per rivelare che i fulmini sono il risultato di una potente reazione a catena che inizia nello spazio. I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati il 28 luglio sulla rivista Journal of Geophysical Research: Atmospheres.

"I nostri risultati forniscono la prima spiegazione precisa e quantitativa di come si innescano i fulmini in natura", ha affermato in una nota l'autore principale dello studio, Victor Pasko, professore di ingegneria elettrica presso la Penn State School of Electrical Engineering and Computer Science. "Collega i punti tra raggi X, campi elettrici e la fisica delle valanghe di elettroni".

La natura elettrica dei fulmini fu notoriamente confermata da Benjamin Franklin nel 1752. L'iconico esperimento di Franklin, sebbene spesso travisato, prevedeva di far volare un aquilone fissato ad un filo lungo 30 cm (0,3 metri) ad un'estremità ed ad uno spago attaccato ad una chiave dall'altra, che Franklin teneva con un nastro di seta. Quando arrivò un temporale, l'aquilone si elettrizzò e lo spago si bagnò, così che una piccola scintilla scattò dalla chiave al suo dito teso.

Nonostante questa scoperta, i dati registrati da aerei e palloni meteorologici mostrano che il campo elettrico necessario affinché gli elettroni possano riversarsi sulla Terra è circa 10 volte maggiore di quello effettivamente misurato all'interno delle nubi temporalesche.

Esistono due teorie contrastanti per spiegare come si verificano effettivamente i fulmini. La prima, l'elettricità statica atmosferica, postula che l'attrito tra i grumi di ghiaccio nelle nubi temporalesche separi gli elettroni caricati negativamente dagli atomi, facendoli radunare fino a ionizzare le particelle nell'atmosfera sottostante, liberando un numero sufficiente di elettroni da precipitare verso terra lungo molteplici percorsi biforcati.

Nella seconda teoria, questa ionizzazione iniziale è ottenuta dai raggi cosmici, particelle subatomiche ad alta energia (per lo più protoni) provenienti dallo spazio che colpiscono l'atmosfera superiore. Questi raggi provengono dal Sole, da esplosioni stellari chiamate supernove, da stelle di neutroni in rapida rotazione chiamate pulsar e da altre fonti sconosciute. Quando le particelle cosmiche colpiscono l'atmosfera, creano una rottura incontrollata di elettroni che termina in una cascata che colpisce la Terra.

Nel nuovo studio, i ricercatori hanno raccolto dati da sensori terrestri, satelliti ed aerei spia ad alta quota e hanno confrontato le informazioni con un modello matematico che simulava le condizioni di una nube temporalesca prima di un attacco.

Le simulazioni del modello hanno supportato la teoria dei raggi cosmici, dimostrando che gli elettroni prodotti dai protoni ad alta velocità acceleravano lungo le linee del campo elettrico e si moltiplicavano quando colpivano molecole presenti nell'atmosfera, come azoto ed ossigeno. Questo provoca una valanga di elettroni, producendo i fotoni ad alta energia che danno origine ai fulmini, affermano i ricercatori.

Sorprendentemente, il modello spiega anche perché prima che cada un fulmine si verifichino lampi di raggi gamma (fotoni ad alta energia) e raggi X.

"Nella nostra modellazione, i raggi X ad alta energia prodotti dalle valanghe di elettroni relativistici generano nuovi elettroni seme guidati dall'effetto fotoelettrico nell'aria, amplificando rapidamente queste valanghe", ha affermato Pasko. "Oltre ad essere prodotta in volumi molto compatti, questa reazione a catena incontrollata può verificarsi con intensità estremamente variabile, portando spesso a livelli rilevabili di raggi X, accompagnati da emissioni ottiche e radio molto deboli. Questo spiega perché questi lampi di raggi gamma possono emergere da regioni sorgente che appaiono otticamente deboli e radio silenti."

ENGLISH

A new model may have finally solved where storm clouds get their missing energy.

he energy needed for thunderstorms could come from an avalanche of electrons seeded by extraterrestrial cosmic rays, a new study claims.

Scientists already knew that lightning is an electrical discharge between thunderclouds and Earth's surface, but exactly how storm clouds obtain an electric field powerful enough to hurl a bolt has remained a mystery for centuries.

Now, a new study has used computer models to reveal that lightning strikes as the result of a powerful chain reaction that begins in outer space. The researchers published their findings July 28 in the Journal of Geophysical Research: Atmospheres.

"Our findings provide the first precise, quantitative explanation for how lightning initiates in nature," study lead author Victor Pasko, a professor of electrical engineering in the Penn State School of Electrical Engineering and Computer Science, said in a statement. "It connects the dots between X-rays, electric fields and the physics of electron avalanches."

Lightning's electrical nature was famously confirmed by Benjamin Franklin in 1752. Franklin's iconic, though often misrepresented, experiment involved flying a kite affixed to a 1-foot-long (0.3 meters) wire on one end and a twine string attached to a key with the other, which Franklin held with a silk ribbon. When a storm arrived, the kite became electrified and the twine became wet, so that a small spark jumped from the key to his outstretched finger.

Despite this discovery, data recorded by planes and weather balloons show that the electrical field needed for electrons to cascade down to Earth is around 10 times greater than the one actually measured inside storm clouds.

There are two competing theories to explain how lightning actually occurs. The first, atmospheric static electricity, posits that the friction between ice clumps in storm clouds separates negatively charged electrons from atoms, causing them to pool until they ionize particles in the atmosphere below them, freeing enough electrons to race to the ground along multiple forking paths.

In the second theory, this initial ionization is achieved by cosmic rays — high-energy subatomic particles (mostly protons) from outer space that strike the upper atmosphere. These rays come from the sun; stellar explosions called supernovas; rapidly spinning neutron stars called pulsars; and other, unknown sources. When the cosmic particles strike the atmosphere, they create a runaway breakdown of electrons that ends in a ground-striking cascade.

In the new study, the researchers pooled data from ground-based sensors, satellites and high-altitude spy planes, and matched the information to a mathematical model that simulated the conditions in a storm cloud preceding a strike.

The model's simulations supported the cosmic ray theory, showing that electrons produced by high-speed protons accelerated along electric-field lines and multiplied as they struck molecules in the atmosphere, such as nitrogen and oxygen. This leads to an avalanche of electrons, producing the high-energy photons that initiate lightning, the researchers say.

Strikingly, the model also explains why flashes of gamma-rays — high energy photons — and X-rays occur before lightning strikes.

"In our modeling, the high-energy X-rays produced by relativistic electron avalanches generate new seed electrons driven by the photoelectric effect in air, rapidly amplifying these avalanches," Pasko said. "In addition to being produced in very compact volumes, this runaway chain reaction can occur with highly variable strength, often leading to detectable levels of X-rays, while accompanied by very weak optical and radio emissions. This explains why these gamma-ray flashes can emerge from source regions that appear optically dim and radio silent."

Da:

https://www.livescience.com/physics-mathematics/lightning-on-earth-is-sparked-by-a-powerful-chain-reaction-from-outer-space-simulations-show?utm_term=0D44E3E5-72C8-4F2E-A2B4-93C82DC78FB4&lrh=e4e2966485d78112a6060535462dd7377ffa0f1e6368288dc8552dcea7aac778&utm_campaign=368B3745-DDE0-4A69-A2E8-62503D85375D&utm_medium=email&utm_content=A19049B6-3D9A-4D2C-A858-E9366A17C099&utm_source=SmartBrief