Tuesday, 19 July 2011

Πυρηνικά σύννεφα!

Ανακάλυψη! Στις καταιγίδες συμβαίνουν απίστευτα πράγματα: τεράστιες εκρήξεις, ακτίνες Χ, ακτινοβολίες όπως μιας βόμβας υδρογόνου. Δημιουργείται ακόμα και αντιύλη.
Φανταστείτε έναν πλανήτη όπου οι καταιγίδες παράγουν δεσμίδες αντιύλης, της κατοπτρικής ύλης με τα αντίθετα φορτία από την ύλη. Η αντιύλη είναι μια εκπληκτική ουσία, που μπορεί να μεταμορφωθεί κατά 100% σε ενέργεια και να δώσει ώθηση στα διαστημόπλοια του μέλλοντος, όπως στη σειρά ταινιών επιστημονικής φαντασίας Star Trek. Αν οι αστρονόμοι έβρισκαν έναν τέτοιο πλανήτη, θα ήταν μια εκπληκτική ανακάλυψη. Αν όμως αποκαλυπτόταν ότι αυτός ο πλανήτης είναι η Γη... κανείς δε θα το πίστευε! Και όμως έτσι είναι. Το απέδειξε ένας τεχνητός δορυφόρος, ο οποίος στις 14 Δεκεμβρίου του 2009 χτυπήθηκε από μια δεσμίδα αντιύλης που δημιουργήθηκε σε μια καταιγίδα, σε απόσταση 5.000 χιλιομέτρων (βλ. σχέδιο πάνω). Πώς είναι δυνατό;

Σαν μαύρη τρύπα. Εδώ και αρκετά χρόνια, οι επιστήμονες γνωρίζουν ότι κάποιες καταιγίδες, κυρίως στις τροπικές περιοχές, μπορούν να παραγάγουν αστραπές ενεργειακών ακτινοβολιών όπως αυτές που δημιουργούνται από τις ατομικές βόμβες. Αυτές οι ακτινοβολίες είναι περισσότερο διαπεραστικές και από τις ακτίνες Χ που χρησιμοποιούνται στις ακτινογραφίες. Και εκπέμπονται από κοσμικά τέρατα όπως οι μαύρες τρύπες.
Πράγματι, οι γήινες ακτίνες γάμμα που δημιουργούνται στις καταιγίδες ανακαλύφθηκαν κατά τύχη, τη δεκαετία 1990, από τους τεχνητούς δορυφόρους που ερευνούσαν εξονυχιστικά τον ουράνιο θόλο αναζητώντας μαύρες τρύπες και άλλα εξίσου βίαια συμπαντικά φαινόμενα.
Αρχικά κανείς δεν περίμενε ότι στην ατμόσφαιρά μας συμβαίνουν τόσο ακραία φαινόμενα, και από τότε πολλοί επιστήμονες και διάφοροι δορυφόροι (όπως ο Agile ) τα ερευνούν συστηματικά.

Γρήγοροι (σχεδόν) σαν το φως. Φαίνεται ότι αυτό το συναρπαστικό φυσικό φαινόμενο, που από πολλές απόψεις παραμένει μυστηριώδες, αρχίζει με μια ροή επιταχυμένων ηλεκτρονίων από τα ηλεκτρικά πεδία της καταιγίδας (βλ. φωτομοντάζ στο πρώτο δισέλιδο του άρθρου), μέχρι να φτάσουν σε ταχύτητες που πλησιάζουν την ταχύτητα του φωτός. Αυτά τα υπερταχύτατα ηλεκτρόνια συγκρούονται με τα άτομα της ατμόσφαιρας και απελευθερώνουν ενέργεια, παράγοντας ακτίνες γάμμα. Υπάρχουν όμως ακόμα πολλές πτυχές που πρέπει να ξεκαθαριστούν: «Οι γήινες ακτίνες γάμμα παράγονται από καταιγίδες όλων των μορφών και των διαστάσεων», μας εξηγεί ο Τζόζεφ Ντουάιερ , καθηγητής φυσικής στις ΗΠΑ, «αλλά ακόμα δε γνωρίζουμε γιατί κάποιες καταιγίδες παράγουν αστραπές γάμμα και άλλες όχι».

Όμοια και αντίθετα. Όποια κι αν είναι η προέλευσή τους, φαίνεται πως όλες οι γήινες αστραπές γάμμα παράγουν αντιύλη. Οι ακτίνες γάμμα είναι πολύ συμπυκνωμένα πακέτα ενέργειας. Και, όταν συγκρούονται με ένα άτομο, μπορούν να μετασχηματιστούν σε δύο όμοια και αντίθετα σωματίδια: ένα ηλεκτρόνιο και ένα ποζιτρόνιο (ή αντιηλεκτρόνιο). Ένα ποζιτρόνιο είναι σαν ένα κατοπτρικό ηλεκτρόνιο, δηλαδή ένα ηλεκτρόνιο στον καθρέφτη: ίδια μάζα και ηλεκτρικό φορτίο αντίθετου προσήμου (το ηλεκτρόνιο έχει αρνητικό φορτίο, το ποζιτρόνιο θετικό). Τα ηλεκτρόνια και τα ποζιτρόνια, αν βρίσκονταν πάντα ξεχωριστά, θα ζούσαν το καθένα τη ζωή του, επ’ άπειρον... αλλά αν συναντηθούν, αποσυντίθενται στη στιγμή, απελευθερώνοντας τεράστια ποσά ενέργειας. Πρακτικά, εξαφανίζονται και στη θέση τους απομένουν οι ακτίνες γάμμα. Ένα «θαύμα» που καθίσταται εφικτό και περιγράφεται από την περίφημη εξίσωση του Αϊνστάιν E=mc2, με βάση την οποία η ενέργεια (οι ακτίνες γάμμα) μπορούν να μεταμορφωθούν σε ύλη (σωματίδια και αντισωματίδια) και αντίστροφα.

Σωματίδια με πυξίδα. Οι ακτίνες γάμμα που σχηματίζονται κατά τη διάρκεια καταιγίδων, συγκρούονται με τα άτομα της ατμόσφαιρας και παράγουν ζευγάρια ηλεκτρονίων και αντιηλεκτρονίων. Έτσι δημιουργούν ένα συννεφάκι ύλης και ένα όμοιο και αντίθετο αντιύλης. Αυτά τα σωματίδια και τα αντισωματίδια, επειδή είναι φορτισμένα ηλεκτρικά, δε μένουν ακίνητα εκεί όπου βρίσκονται αλλά –σαν να ακολουθούν πυξίδα– κατευθύνονται από το γήινο μαγνητικό πεδίο προς το Βόρειο Πόλο ή το Νότιο Πόλο, ανάλογα με το ηλεκτρικό φορτίο και την ταχύτητά τους. Μετά από αυτή την απαραίτητη εισαγωγή, μπορούμε να ανασυνθέσουμε όσα συνέβησαν στις 14 Δεκεμβρίου του 2009, όταν καταγράφηκε η πρώτη ροή αντιύλης που δημιουργήθηκε από μια καταιγίδα μέσα στα όρια της γήινης ατμόσφαιρας (βλ. σχέδιο στην προηγούμενη σελίδα).

Πάνω στο δορυφόρο. Όλα ξεκίνησαν στη Ζάμπια, όπου μαινόταν μια καταιγίδα. Ενώ στη Γη άστραφταν κεραυνοί, σε μεγάλο ύψος απελευθερωνόταν μια αστραπή ακτίνων γάμμα, που με τη σειρά της δημιούργησε ένα σύννεφο ύλης (ηλεκτρόνια) και ένα αντιύλης (ποζιτρόνια).
Η αντιύλη, τουλάχιστον εν μέρει, διοχετευόταν κατά μήκος του γήινου μαγνητικού πεδίου, κατευθυνόμενη προς το βορρά. Και, όταν πέρασε πάνω από την Αίγυπτο, έπληξε το δορυφόρο Fermi της NASA και καταγράφηκε από τα όργανά του. Πρακτικά, η αντιύλη του σύννεφου και η ύλη του δορυφόρου συγκρούστηκαν και εκμηδενίστηκαν, παράγοντας ενέργεια και ενεργοποιώντας τα όργανα μέτρησης. Αν οι ποσότητες ύλης και αντιύλης ήταν ίσες, ο δορυφόρος θα είχε αποσυντεθεί ολοκληρωτικά. Όμως η αντιύλη που παράγεται από μια καταιγίδα είναι ελάχιστη: «Μόλις ένα νανογραμμάριο (δηλαδή ένα δισεκατομμυριοστό του γραμμαρίου)», εκτιμά ο Μάικλ Μπριγκς . Δηλαδή λιγότερο από έναν κόκκο σκόνης: όσο χρειάζεται για να απελευθερωθούν 360.000 τζάουλ, δηλαδή για να ανάψει ένας λαμπτήρας των 100 W για μισή ώρα. Κατά τη σύγκρουση, λοιπόν, μόνο ένα απειροελάχιστο κομμάτι της ύλης από την οποία αποτελείτο ο δορυφόρος αντέδρασε με τη δεσμίδα αντιύλης που τον περιέλουσε και αποσυντέθηκε, εκλύοντας ενέργεια.

Σαν ελατήριο. Η υπόθεση δεν τελειώνει εδώ. Το σύννεφο αντιύλης, αφού συγκρούστηκε (και μερικώς εκμηδενίστηκε) με το δορυφόρο, συνέχισε το ταξίδι του κατά μήκος του γήινου μαγνητικού πεδίου. Μέχρι που έφτασε σε ένα σημείο της ατμόσφαιρας που ήταν «κατοπτρικό» ως προς αυτό στο οποίο σημειώθηκε η καταιγίδα και στη συνέχεια αναπήδησε προς τα πίσω. Ο δορυφόρος Fermi κατέγραψε ένα δεύτερο κύμα αντιύλης 23 χιλιοστά του δευτερολέπτου αργότερα: ένα είδος ηχούς του αρχικού σήματος.
Όμως πώς συνέβη αυτή η αντανάκλαση; Ο Τζόζεφ Ντουάιερ απαντά: «Τα φορτισμένα σωματίδια (ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια) κινούνται κατά μήκος των γραμμών του γήινου μαγνητικού πεδίου, ακολουθώντας μια σπειροειδή τροχιά. Όταν τα σωματίδια πλησιάζουν τη Γη, το μαγνητικό πεδίο εντείνεται και κατά συνέπεια τα σωματίδια συστρέφονται πιο γρήγορα αλλά προχωρούν πιο αργά. Μέχρι που επιστρέφουν πίσω». Πρακτικά, μας εξηγεί ο Μπριγκς, η σπειροειδής τροχιά των σωματιδίων μοιάζει με ελατήριο, που στην αρχή επιμηκύνεται (όταν η αντιύλη απομακρύνεται από την καταιγίδα προέλευσης) και έπειτα συμπιέζεται (όταν, μόλις περάσει τον ισημερινό, πλησιάζει στη Γη)... μέχρι που «το ελατήριο αναπηδά» και τα σωματίδια αντανακλώνται πίσω, με μικρότερη βέβαια ενέργεια από την αρχική.

Υπάρχει κίνδυνος για εμάς; Παραμένει μια αμφιβολία: όταν μαίνεται μια καταιγίδα, εκτός από τους κεραυνούς, πρέπει να φοβόμαστε μήπως μας χτυπήσουν οι διαπεραστικές ακτινοβολίες, ακόμα και η αντιύλη; Για όσους βρίσκονται στην επιφάνεια της Γης η απάντηση είναι σίγουρα όχι, δεν υπάρχει λόγος να φοβούνται. Γιατί όλα αυτά τα φαινόμενα σημειώνονται σε μεγάλο ύψος και η αντιύλη όπως και οι ακτινοβολίες θα έχουν εκμηδενιστεί κατά την σύγκρουσή τους με τα άτομα της ατμόσφαιρας, πολύ πριν φτάσουν στο έδαφος... Τι γίνεται όμως με τα αεροπλάνα και τους τεχνητούς δορυφόρους;
«Η αντιύλη που δημιουργείται από τις καταιγίδες είναι τόσο λίγη και αραιωμένη που δε θα μπορούσε να βλάψει τους δορυφόρους», μας εξηγεί ο Μπριγκς. «Σύμφωνα με κάποιους υπολογισμούς όμως, αν ένα αεροπλάνο περάσει κοντά από μια γήινη αστραπή γάμμα, οι επιβάτες θα δεχτούν μια διόλου αμελητέα δόση ακτινοβολίας. Αυτή όμως είναι μια στατιστικά ασήμαντη πιθανότητα».

Οι έρευνες σε αυτόν τον τομέα, εξάλλου, μόλις άρχισαν. «Εκτός από το επιστημονικό ενδιαφέρον», καταλήγει ο Ντουάιερ, «αυτές οι μελέτες είναι σημαντικές για να καθοριστεί το είδος και η ποσότητα ακτινοβολιών που υπάρχουν στις καταιγίδες στα ύψη όπου πετούν τα αεροπλάνα». Και για να επιβεβαιωθεί η άποψη ότι, λόγω αμφιβολιών, σε μια μεγάλη καταιγίδα είναι καλύτερο να είμαστε πάντα προστατευμένοι
FOCUS

No comments: