Toen Benjamin Franklin een sleutel aan een vlieger bond en deze in een onweer vloog, werd hij kort een apparaat dat op de sterkste stroomgenerator op aarde was aangesloten.
Franklin wist, zoals de meeste mensen, dat onweersbuien ongelooflijk krachtig zijn. Onderzoekers hebben geprobeerd nauwkeurig te schatten hoe krachtig voor meer dan een eeuw, maar zijn altijd tekort gekomen - zelfs de meest geavanceerde sensoren in de lucht zijn ontoereikend omdat onweerswolken gewoon te groot en onvoorspelbaar zijn om te meten.
Nu, in een paper gepubliceerd op 15 maart in het tijdschrift Physical Review Letters, hebben onderzoekers in Ooty, India, een schokkend nieuw antwoord bedacht - dankzij een beetje hulp van enkele kosmische stralen.
Met behulp van een reeks sensoren die zijn ontworpen om elektrische velden en de intensiteit van muonen te meten - zware deeltjes die constant uit de bovenste atmosfeer van de aarde regenen en vervallen terwijl ze door materie gaan - meet het team de spanning van een grote onweerswolk die 18 minuten over Ooty rolde op 1 december 2014. De onderzoekers ontdekten dat de wolk gemiddeld werd opgeladen met ongeveer 1,3 gigavolt elektriciteit, wat 1,3 keer 10 ^ 9 volt is - ongeveer 10 miljoen keer meer spanning dan wordt geleverd door een typisch stopcontact in Noord Amerika.
"Dit verklaart waarom onweerswolken zo destructief zijn", vertelde co-auteur Sunil Gupta, een kosmische straalonderzoeker aan het Indiase Tata Institute of Fundamental Research, aan WordsSideKick.com. 'Als je deze enorme hoeveelheid energie door wat dan ook verspreidt, zal dat ernstige verwoesting veroorzaken.'
Het regent muonen
Gupta en zijn collega's bestuderen voornamelijk muonen - elektronenachtige deeltjes die ontstaan wanneer kosmische straling in verschillende atomen in de atmosfeer van de aarde inslaat. Deze deeltjes hebben ongeveer de helft van de spin van elektronen maar 200 keer het gewicht en zijn zeer goed in het doordringen van materie. Een muon die uit de atmosfeer regent, kan in slechts een fractie van een seconde diep in de oceaan of kilometers onder de grond reizen, zolang hij maar voldoende energie heeft.
Muons verliezen hun energie wanneer iets hen in de weg staat, bijvoorbeeld een piramide. Begin 2018 ontdekten wetenschappers twee voorheen onbekende kamers in de Grote Piramide van Gizeh door muondetectoren rond de structuur in te stellen en te meten waar de deeltjes energie verloren (en niet verloren). Muons die door de stenen muren van de piramide liepen, verloren meer energie dan muons die door de grote, lege kamers liepen. Met de resultaten konden de onderzoekers een nieuwe kaart van het interieur van de piramide maken zonder er een voet in te zetten.
Gupta en zijn collega's gebruikten een vergelijkbare methode om de energie in de Ooty-donderwolk in kaart te brengen. In plaats van te strijden tegen steen, stonden muonen die door de wolk vielen voor een turbulent elektrisch veld.
"Onweersbuien hebben een positief geladen laag bovenaan en een negatief geladen laag onderaan", zei Gupta. 'Als een positief geladen muon de wolk raakt terwijl het vanuit de hogere atmosfeer naar beneden regent, wordt het afgestoten en verliest het energie.'
Met behulp van een reeks muon-detecterende sensoren en vier elektrische veldmonitors verspreid over meerdere mijlen, maten de onderzoekers de gemiddelde energiedaling tussen muonen die door de onweerswolk gingen en degenen die er niet doorheen gingen. Aan de hand van dit energieverlies kon het team berekenen hoeveel elektrisch potentieel de deeltjes hadden doorgelaten in de donderwolk.
Het was enorm.
'Wetenschappers schatten dat onweerswolken in de jaren twintig een gigavoltpotentieel zouden kunnen hebben', zei Gupta, 'maar tot nu toe is het nooit bewezen.'
De donder in kaart brengen
Toen de onderzoekers eenmaal het elektrische potentieel van de wolk kenden, wilden ze een stap verder gaan en precies meten hoeveel kracht de onweerswolk droeg terwijl deze over Ooty brulde.
Met behulp van de gegevens van hun wijdverspreide monitoren voor elektrische velden, vulde het team enkele belangrijke details in over de wolk - dat wil zeggen dat hij met een snelheid van ongeveer 40 mph (60 km / h) reed op een hoogte van 7 mijl (11,4 kilometer) boven zeeniveau, had een geschatte oppervlakte van 146 vierkante mijl (380 vierkante km, een gebied dat ongeveer zes keer zo groot is als Manhattan), en bereikte zijn maximale elektrische potentieel slechts 6 minuten na het verschijnen.
Gewapend met deze kennis konden de onderzoekers eindelijk berekenen dat het onweer ongeveer 2 gigawatt aan energie droeg, waardoor deze enkele wolk krachtiger was dan de krachtigste kerncentrales ter wereld, zei Gupta.
'De hoeveelheid energie die hier is opgeslagen, is voldoende om 26 minuten lang in alle energiebehoeften van een stad als New York City te voorzien', zei Gupta. "Als je zou het kunnen gebruiken. "
Met de huidige technologie is dat een onwaarschijnlijk vooruitzicht, merkte Gupta op: De hoeveelheid energie die door zo'n storm wordt afgevoerd is zo hoog dat het waarschijnlijk elke geleider zou doen smelten.
Toch zou het gewelddadig krachtige potentieel van onweersbuien kunnen helpen bij het oplossen van een kosmisch mysterie dat wetenschappers zoals Gupta en zijn collega's al tientallen jaren vragen: waarom detecteren satellieten soms hoogenergetische gammastraling die uit de atmosfeer van de aarde schiet, terwijl ze uit de ruimte zouden moeten regenen ?
Volgens Gupta, als onweersbuien inderdaad een elektrisch potentieel kunnen creëren dat groter is dan één gigavolt, kunnen ze ook elektronen snel genoeg versnellen om andere atomen in de atmosfeer uit elkaar te halen, waardoor gammaflitsen ontstaan.
Deze verklaring vereist meer onderzoek om de juistheid ervan te verifiëren, zei Gupta. Zorg er ondertussen voor dat je je verwondert over de volgende onweerswolk die je ziet, want het is een onpeilbaar machtige natuurkracht - en denk alsjeblieft twee keer na voordat je gaat vliegen.
