Lo studente laureato dell'Università di Tokyo Yuuki Wada con i colleghi giapponesi ha scoperto una connessione tra i fulmini e due tipi di fenomeni di raggi gamma nelle nuvole temporalesche. La ricerca suggerisce che in determinate condizioni, deboli bagliori di raggi gamma dalle nuvole temporalesche possono precedere i fulmini e i lampi di raggi gamma che li accompagnano.

Nella città di Kanazawa, Prefettura di Ishikawa, nel Giappone centrale, Wada e colleghi lavorano con le scuole e le imprese locali per installare i monitor delle radiazioni sugli edifici. Questi monitor di radiazioni formano una rete per rilevare le radiazioni provenienti dal cielo. Sorprendentemente, è noto da circa 30 anni che i temporali possono portare con sé l'attività dei raggi gamma.

"Le persone hanno sempre visto i lampi e sentito i tuoni. Questi erano i modi in cui potevamo sperimentare questo potere della natura, " disse Wada. "Con la scoperta dell'elettromagnetismo, gli scienziati hanno imparato a vedere i fulmini con i ricevitori radio. Ma ora, possiamo osservare i fulmini nei raggi gamma, radiazioni ionizzanti. È come avere quattro occhi per studiare i fenomeni".

Ci sono due tipi noti di fenomeni di raggi gamma associati alle nuvole temporalesche:bagliori di raggi gamma, emissioni deboli che durano circa un minuto, e lampi di raggi gamma terrestri di breve durata (TGF), che si verificano sotto forma di fulmini e sono molto più intensi dei bagliori dei raggi gamma. Entrambi si verificano in regioni di nubi temporalesche racchiuse tra strati di carica variabile. Le regioni cariche accelerano gli elettroni fino a raggiungere la velocità della luce. A queste velocità relativistiche, gli elettroni che si allontanano molto vicino ai nuclei degli atomi di azoto nell'aria rallentano leggermente ed emettono un raggio gamma rivelatore. Questa è chiamata radiazione di bremsstrahlung.

"Durante un temporale invernale a Kanazawa, i nostri monitor hanno rilevato un TGF e un fulmine simultanei. Questo è abbastanza comune, ma interessante, abbiamo anche visto un bagliore di raggi gamma nella stessa area allo stesso tempo, " continuò Wada. "Inoltre, il bagliore scomparve bruscamente quando il fulmine colpì. Possiamo dire in modo conclusivo che gli eventi sono intimamente connessi e questa è la prima volta che questa connessione viene osservata".

Il meccanismo alla base della scarica dei fulmini è molto ricercato, e questa ricerca può offrire intuizioni precedentemente sconosciute. Wada e il team intendono portare avanti le loro indagini per esplorare la possibilità che i bagliori di raggi gamma non precedano solo i fulmini, ma può in effetti causarli. I livelli di radiazione dei lampi di raggi gamma sono piuttosto bassi, circa un decimo del livello di una tipica radiografia medica.

"La nostra scoperta segna una pietra miliare nella ricerca sui fulmini, e presto raddoppieremo il nostro numero di sensori di radiazione da 23 a circa 40 o 50. Con più sensori, potremmo migliorare notevolmente i modelli predittivi, " ha spiegato Wada. "È difficile dirlo in questo momento, ma con dati del sensore sufficienti, potremmo essere in grado di prevedere i fulmini entro circa 10 minuti dal verificarsi, ed entro circa due chilometri da dove accadono. Sono entusiasta di far parte di questa ricerca in corso".

Probabilmente ulteriori indagini si svolgeranno anche a Kanazawa, in quanto la zona presenta condizioni meteorologiche rare e ideali per questo tipo di lavoro. La maggior parte delle osservazioni di radiazioni nelle tempeste proviene da stazioni aeree o montane, poiché le nuvole temporalesche sono generalmente molto in alto. Ma le tempeste invernali a Kanazawa portano le nuvole temporalesche sorprendentemente vicine al suolo, ideale per lo studio con i monitor portatili a basso costo sviluppati dal gruppo di ricerca.

I ricercatori hanno creato questi esclusivi monitor di radiazioni portatili in parte con la tecnologia derivata da osservatori satellitari spaziali progettati per esperimenti di astrofisica. Questo è appropriato, poiché i dati di questo tipo di ricerca potrebbero essere utili per chi fa ricerca in astrofisica, e in particolare, fisica solare nel contesto dell'accelerazione delle particelle. Ma c'è una propaggine più con i piedi per terra, anche.

"Paleontologi che studiano la vita degli ultimi 50, Circa 000 anni usano una tecnica chiamata datazione al carbonio-14 per determinare l'età di un campione. La tecnica si basa sulla conoscenza dei livelli di due tipi di carbonio, carbonio-12 e carbonio-14, " ha detto Wada. "Si pensa comunemente che il carbonio-14 sia creato dai raggi cosmici a una velocità approssimativamente costante, da qui il potere predittivo della tecnica. Ma c'è un suggerimento che i temporali potrebbero alterare il rapporto tra carbonio-12 e carbonio-14, che potrebbe modificare leggermente l'accuratezza o la calibrazione richiesta per il funzionamento della datazione al carbonio-14."

Wada e colleghi continueranno a svelare i misteri dei fulmini, uno dei fenomeni più affascinanti e iconici della natura. Un prossimo progetto collaborativo con sede in Francia lancerà un satellite dedicato per le osservazioni di fulmini in tutto il mondo dallo spazio.

La ricerca è riportata in Fisica delle comunicazioni .