Şimşek ve Nükleer Reaksiyonlar

Şimşek ve Nükleer Reaksiyonlar

Fırtınalar, doğanın en ilginç fenomenlerinden biridir. Neredeyse bir asır önce, güçlü elektrik alanları atmosferde elektronları hızlandırmak ve nükleer reaksiyonların meydana kanısına varıldı. Bununla birlikte, bu süreçlerin deneysel olarak onaylanması zor olmuştur. Gök gürültülü fırtınayla üretilen nükleer reaksiyonlar için ilk kesin gözlemsel kanıtı – Dünya atmosferi ve izotop bileşimini anlamamız açısından etkilerle birlikte bildirir.

Yağışlı nükleer reaksiyonları tetikleyebilir düşüncesi önerilmiştir. 1925 yılında İskoç fizikçi ve meteorolog Charles Wilson tarafından. nötronların nükleer reaksiyonların muhtemel ürünleri arasında yer aldığı bilinmektedir ve bu nedenle bu parçacıkları bir fırtınadan tespit etmek sağlayacaktır. Fakat nötronlar 1932 yılına kadar keşfedilmedi .

Gök gürültülü fırtınalar atmosferin en yoğun alt tabakalarında gerçekleşir. Bu tabakalardaki elektronlar hava molekülleri ile sık sık çarpışırlar ve bu nedenle güçlü bir sürükleme kuvvetine tabidirler. Bu kuvvetin üstesinden gelmek için yeterince yüksek başlangıç enerjisine sahip elektronları gerektirir. Günümüzde, kozmik ışınların atmosfere ışınlanması ve yüksek enerjili elektronların çığ oluşumu için çarpışan bu elektronlar ürettiği bilinmektedir. Bununla birlikte, 1920’lerin ortalarında, kozmik ışınlar son derece gizemli ve karasal kökenli olduğu düşünülüyordu.
Bir gök gürültülü fırtınadan gelen ilk nötron tespiti 1985 yılında olarak bildirildi . Bu gözlemler, aşırı derecede yüksek fırtınalı aktivite (günde yaklaşık 30 şimşek vuruşu) olan bir bölgede Himalayalar’da gerçekleştirildi. Başlangıçta, fırtınadan kaynaklanan nötronların, hidrojen izotop döteryumunun iki çekirdeğinin, bir helyum çekirdeği ve bir nötron oluşturmak için yıldırımla oluşturulan plazmada kaynaştığı bir nükleer reaksiyonda üretildiği düşünülüyordu.

Bununla birlikte, daha sonra böyle bir plazmada fiziksel koşulların bu reaksiyonun oluşmasına izin vermediği gösterildi. Bunun yerine, bir gök gürültüyle üretilen yüksek enerjili elektronların çığ röntgen ve γ-ışını fotonları yayar. 1980’lerin sonundan beri, bu fotonlar, yeryüzünde, gök gürültülü uçaklarla uçan uçaklarla ve yakın mekanda (yeryüzünün yaklaşık 500 kilometre yüksekliğinde) suni uydular tarafından tespit edildi. Fotonların enerjileri yüzlerce megaelectronvolt’a (MeV) kadar var.
Yüksek enerjili elektronlar ve yaklaşık 10 MeV’dan daha büyük enerjilere sahip olan γ-ışınları, atmosferik azot-14 ve oksijen-16 çekirdeğinden nötronları elektron durumunda elektrodizintegrasyona ve γ-ışınlarında fotonükleer reaksiyonlara maruz bırakabilir. Gök gürültülü fırtınaların fotonükleer reaksiyonlar vasıtasıyla nötron üretme yeteneği bilgisayar simülasyonları kullanılarak gösterilmiş olsa da , doğrudan deneysel kanıt bulunmamaktadır.

Enoto ve meslektaşları, nötronlara odaklanmak yerine azot-14 ve oksijen-16 içeren fotonükleer reaksiyonların diğer ürünlerini, yani dengesiz azot-13 ve oksijen-15 izotoplarını düşünüyorlardı. Bu izotoplar, bir nötrino ve bir elektron parçacığı olan bir pozitronun emisyonu yoluyla kararlı karbon-13 ve azot-15 çekirdeğine birkaç dakika sonra bozunurlar. Son olarak, pozitron, bir çift γ-ışını üretmek için atmosferik bir molekülün bir elektronuyla yok oluyor.
Hem pozitronların hem de elektronların kütlesi 0.511 MeV (enerji birimi cinsinden ifade edilir) olduğu için, her bir yayılan ışın demeti 0.511 MeV enerjiye sahiptir. Bu nedenle, bu fotonükleer reaksiyonların varlığını teyit etmek için yazarlar, tüm γ-ışınlarının geniş enerji spektrumunda bu enerjide bir satırı tanımlamak yeterlidir.

Bu amaçla, Enoto ve ark. Japonya Denizi sahilinin üzerinde düşük kış kızılderillerinden γ-ışını emisyonunun zemin temelli gözlemlerini gerçekleştirdi. 6 Şubat 2017’de, yıldırım çarpmasıyla ilişkilendirilen 1 milisaniyeden daha az bir süre boyunca yoğun bir γ-ışını flaşı tespit ettiler. Başlangıçtaki γ-ışını flaşından sonra, yazarlar 0.511 MeV’lik bir enerjide yaklaşık bir dakika boyunca süren uzatılmış bir γ-ışını çizgisini gözlemledi. Bu çizgi, elektron-pozitron yok oluşunun kesin bir göstergesidir ve fotonükleer reaksiyonların fırtınalar tarafından tetiklenebileceğine dair kesin delilleri temsil etmektedir.

Earth’ün kozmik ışınlarla ışınlanmasına ilaveten, atmosferdeki daha önce bilinmeyen doğal bir izotop kaynağını ortaya koymaktadır. Bu izotoplar azot-15, karbon-13 ve karbon-14’ü içerir, bunların sonuncusu arkeolojik eserler ve sanat eserlerinin tarihlenmesinde yaygın olarak kullanılır. Aslında, gök gürültülü fırtınaların Dünya’nın karbon-14 bolluğuna katkısı, bazı bölgelerde kozmik ışınlamayla karşılaştırılabilir. Gelecekteki çalışmalar fırtınaların diğer izotopları (hidrojen, helyum ve berilyum gibi) üretip üretmediğini kontrol etmelidir.

Fırtınaya bağlı nükleer reaksiyonlar, Jüpiter ve Venüs gibi diğer gezegenlerin atmosferlerinde oluşabilir ve bu nedenle bu atmosferlerin izotopik bileşimine katkıda bulunabilir. Bununla birlikte, bu katkının büyüklüğünü belirlemek için, bu gezegenler üzerindeki fırtınadan gelen γ-ışınları ve nötronların ayrıntılı gözlemleri gerekecektir. Keşfinin bir başka anlamı, nötronların yıldırımdan yaratılan plazmanın dışında oluşmasıdır. Bu, beklentilerin aksine, bu nötronların plazma hakkında bilgi sağlayamadığını göstermektedir.