Pioruny to nie tylko spektakularne błyski i huk. Tuż przed jednym z uderzeń w ziemię naukowcy zarejestrowali impuls promieniowania gamma skierowany wprost ku powierzchni — zjawisko, które przez dekady wykrywano niemal wyłącznie z orbity.

Burza jako akcelerator cząstek

Wewnątrz chmury burzowej panują silne pola elektryczne, które mogą rozpędzać elektrony do prędkości bliskich prędkości światła. Gdy zderzają się one z cząsteczkami powietrza, powstaje promieniowanie rentgenowskie, a niekiedy gamma. Takie krótkie wyładowania — trwające zaledwie milionowe części sekundy — noszą nazwę ziemskich błysków gamma (TGF, od ang. terrestrial gamma-ray flash). Ich energie są wielokrotnie wyższe niż w zwykłym świetle widzialnym czy ultrafiolecie. Przez długi czas satelity wykrywały je jedynie powyżej chmur, skierowane ku kosmosowi. Część z nich jednak kieruje się w dół — i to właśnie taką obserwację opisał międzynarodowy zespół badaczy, w tym naukowcy z Uniwersytetu Łódzkiego i Narodowego Centrum Badań Jądrowych.

Wyniki opublikowano w czasopiśmie „Journal of Geophysical Research: Atmospheres”. Badany piorun był ujemnym wyładowaniem chmura–ziemia, w którym ładunek ujemny przenoszony jest ku powierzchni. Całe zdarzenie składało się z dziewięciu kolejnych uderzeń w trzech różnych punktach. Błysk gamma pojawił się bezpośrednio przed piątym z nich.

Lider strzałkowy i rekordowa prędkość

Kluczową rolę odgrywa tzw. lider — kanał wyładowania rozwijający się przed właściwym uderzeniem prądu. Pierwsze uderzenie toruje drogę przez nietkane powietrze, tworząc częściowo zjonizowany ślad. Kolejne impulsy mogą podążać tym śladem szybciej — taki lider nazywa się strzałkowym. Właśnie z liderem strzałkowym poprzedzającym piąte uderzenie powiązano zarejestrowany błysk gamma. Wcześniej ziemskie błyski gamma skierowane ku ziemi kojarzono głównie z pierwszymi uderzeniami i początkowymi fazami wyładowania, dlatego obserwacja późniejszego etapu wielokrotnego pioruna jest szczególnie istotna.

Lider poprzedzający piąte uderzenie poruszał się z prędkością około 23 milionów metrów na sekundę — najszybszy w całej sekwencji dziewięciu uderzeń. Piąte uderzenie miało też największy prąd szczytowy spośród wszystkich. Źródło błysku gamma oszacowano na wysokości około 1,45 km nad ziemią, a emisja trwała niemal do momentu właściwego uderzenia powrotnego. Błysk zarejestrowany przez sześć detektorów trwał 68 mikrosekund, a łączna energia zdeponowana w detektorach wyniosła 1352 MeV.

Do obserwacji wykorzystano sieć detektorów Telescope Array Surface Detector w stanie Utah, zbudowaną pierwotnie do badań promieniowania kosmicznego. Uzupełniały ją interferometr radiowy, system mapowania wyładowań i szybkie kamery, co pozwoliło precyzyjnie powiązać błysk gamma z konkretnym momentem w życiu lidera — a nie tylko z ogólną obecnością burzy w pobliżu.

Czy to groźne dla ludzi?

Promieniowanie gamma przenika przez ściany budynków i karoserie samochodów skuteczniej niż prąd pioruna. W praktyce jednak błysk gamma związany z wyładowaniem atmosferycznym to krótki, lokalny impuls, powstający jedynie w wyjątkowych warunkach. Wszyscy stale żyjemy w tle promieniowania jonizującego — docierającego z kosmosu i z naturalnych pierwiastków promieniotwórczych w gruncie. Badacze zmierzyli energię zdeponowaną w detektorach, ale nie przeliczali jej na dawkę dla człowieka stojącego w pobliżu. Podczas burzy wciąż największe zagrożenie stanowi sam piorun.