Da Benjamin Franklin bandt en nøkkel til en drage og fløy den inn i et lyn storm, ble han kort et apparat plugget inn i den sterkeste kraftgeneratoren på jorden.
Franklin visste, som folk flest, at tordenvær er utrolig kraftig. Forskere har prøvd å estimere nøyaktig hvordan kraftig i mer enn et århundre, men har alltid kommet til kort - selv de mest sofistikerte luftbårne sensorer er utilstrekkelige fordi tordenskyene bare er for store og uforutsigbare til å måle.
Nå, i en artikkel publisert 15. mars i tidsskriftet Physical Review Letters, har forskere i Ooty, India, kommet med et sjokkerende nytt svar - takket være litt hjelp fra noen kosmiske stråler.
Ved hjelp av en rekke sensorer designet for å måle elektriske felt og intensiteten til muoner - tunge partikler som konstant regner ned fra jordens øvre atmosfære, forfallende når de passerer gjennom materie - målte teamet spenningen til et stort tordenvær som rullet over Ooty i 18 minutter 1. desember 2014. Forskerne fant ut at skyen i gjennomsnitt ble belastet med omtrent 1,3 gigavolt strøm, som er 1,3 ganger 10 ^ 9 volt - omtrent 10 millioner ganger mer spenning enn det som leveres av et typisk strømuttak i Nord Amerika.
"Dette forklarer hvorfor tordenskyer er så ødeleggende," sa medforfatter Sunil Gupta, en kosmisk stråleforsker ved Indias Tata Institute of Fundamental Research, til Live Science. "Hvis du sprer denne enorme mengden energi gjennom noe, vil det føre til alvorlig ødeleggelse."
Det regner muoner
Gupta og kollegene studerer først og fremst muoner - elektronlignende partikler som skapes når kosmiske stråler basker seg inn i forskjellige atomer i jordens atmosfære. Disse partiklene har omtrent halvparten av elektronspinnet, men 200 ganger vekten, og er veldig gode til å trenge gjennom. En muon som regner ned fra atmosfæren kan reise dypt ned i havet eller miles under jorden på bare en brøkdel av et sekund, så lenge den har nok energi.
Muons mister energien sin når noe kommer i veien - for eksempel en pyramide, for eksempel. Tidlig i 2018 oppdaget forskere to tidligere ukjente kammer inne i den store pyramiden i Giza ved å sette opp muon-detektorer rundt strukturen og måle hvor partiklene mistet (og ikke mistet) energi. Muoner som passerte gjennom pyramidens steinmurer mistet mer energi enn muoner som passerte gjennom de store, tomme kamrene. Resultatene tillot forskerne å lage et nytt kart over pyramidens indre uten å sette foten inni den.
Gupta og kollegene brukte en lignende metode for å kartlegge energien inne i Ooty-tordenværet. I stedet for å kjempe med stein, sto imidlertid muoner som falt gjennom skyen overfor et turbulent elektrisk felt.
"Tordenvær har et positivt ladet lag på toppen og et negativt ladet lag på bunnen," sa Gupta. "Hvis en positivt ladet muon treffer skyen når det regner ned fra den øvre atmosfæren, kommer den til å bli frastøtt og miste energi."
Ved å bruke en rekke muon-detekterende sensorer og fire elektriske feltmonitorer spredt over flere miles, målte forskerne det gjennomsnittlige energifallet mellom muoner som gikk gjennom tordenværet og de som ikke passerte gjennom det. Fra dette energitapet kunne teamet beregne hvor mye elektrisk potensial partiklene hadde gått gjennom i tordenskyen.
Det var massivt.
"Forskere anslått at tordenskyene kunne ha gigavoltpotensial på 1920-tallet," sa Gupta, "men det ble aldri bevist - før nå."
Kartlegger tordenen
Når forskerne visste skyens elektriske potensial, ønsket de å gå et skritt videre og måle nøyaktig hvor mye kraft tordenværet bar da det brølte over Ooty.
Ved hjelp av dataene fra deres vidt spredte elektriske feltmonitorer fylte teamet inn noen viktige detaljer om skyen - det vil si reiste rundt 40 km / t i en høyde på 11 miles (11.4 kilometer) over havet, hadde et anslått område på 146 kvadratkilometer (380 kvadratkilometer, et område omtrent seks ganger så stort som Manhattan), og nådde sitt maksimale elektriske potensial bare 6 minutter etter opptreden.
Bevæpnet med denne kunnskapen, var forskerne endelig i stand til å beregne at tordenværet bar rundt 2 gigawatt kraft, noe som gjorde denne enkelt skyen kraftigere enn de kraftigste atomkraftverkene i verden, sa Gupta.
"Mengden energi som er lagret her er nok til å forsyne alle strømbehovene i en by som New York City i 26 minutter," sa Gupta. "Hvis du kan utnytte det. "
Med dagens teknologi er det usannsynlig utsikter, bemerket Gupta: Mengden energi som blir spredt av en slik storm er så høy at den sannsynligvis vil smelte enhver leder.
Fortsatt kan det voldsomt kraftige potensialet i tordenvær bidra til å avgjøre et kosmisk mysterium som forskere som Gupta og hans kolleger har spurt i flere tiår: Hvorfor oppdager satellitter noen ganger høye energi gammastråler som sprenger ut fra jordens atmosfære, når de skal regne ned fra verdensrommet ?
I følge Gupta, hvis tordenvær virkelig kan skape et elektrisk potensial som er større enn en gigavolt, kan de også akselerere elektronene raskt nok til å bryte fra hverandre andre atomer i atmosfæren, og produsere gammastråleblitz.
Denne forklaringen krever mer forskning for å bekrefte nøyaktigheten, sa Gupta. I mellomtiden må du huske å undre deg over det neste tordenværet du ser, for det er en ufravikelig mektig naturkraft - og vær så snill, tenk deg om to ganger før du flyr en drage.
