Tuoni e fulmini hanno suscitato timore reverenziale e paura negli esseri umani da tempo immemorabile. Sia nella cultura moderna che in quella antica, si pensa spesso che questi fenomeni naturali siano governati da alcuni degli dei più importanti e potenti:Indra nell'induismo, Zeus nella mitologia greca e Thor nella mitologia norrena.

Sappiamo che i temporali possono innescare una serie di effetti notevoli, più comunemente interruzioni di corrente, grandinate e animali nascosti sotto i letti. Ma si scopre che abbiamo ancora cose da imparare su di loro. Un nuovo studio, pubblicato su Natura, ha ora dimostrato che i temporali possono anche produrre radioattività innescando reazioni nucleari nell'atmosfera.

Potrebbe sembrare la trama di un disastro di fantascienza di successo. Ma in realtà, non c'è niente di cui preoccuparsi. Dall'inizio del XX secolo, gli scienziati sono a conoscenza delle radiazioni ionizzanti – particelle e onde elettromagnetiche che possono danneggiare le cellule – che piovono nell'atmosfera terrestre dallo spazio. Questa radiazione può reagire con atomi o molecole, trasportano energia sufficiente per liberare elettroni da atomi o molecole. Lascia quindi uno "ione" con una carica elettrica positiva.

Poco più di un secolo fa, il fisico austriaco Victor Hess ha effettuato misurazioni della ionizzazione in una mongolfiera a cinque chilometri dalla superficie terrestre. Notò che il tasso di ionizzazione aumentava rapidamente con l'altezza, l'opposto di quanto ci si potrebbe aspettare se la sorgente della radiazione ionizzante provenisse dal suolo. Hess concluse quindi che doveva esserci una sorgente di radiazione con un potere penetrante molto alto situata al di sopra dell'atmosfera. Fu nominato co-vincitore del Premio Nobel per la Fisica nel 1936 per la sua scoperta, in seguito soprannominato "raggi cosmici".

Ora sappiamo che i raggi cosmici sono costituiti da particelle cariche:in primo luogo, elettroni, nuclei atomici e protoni:questi ultimi costituiscono il nucleo insieme ai neutroni. Alcuni provengono dal sole, mentre altri provengono dalle lontane esplosioni di stelle morte nella nostra galassia, note come supernova. Quando questi raggi cosmici entrano nell'atmosfera terrestre, interagiscono con atomi e molecole per produrre una pioggia di particelle subatomiche. Tra questi ci sono i neutroni, che non hanno carica elettrica.

Sono questi neutroni che rendono possibile la datazione al radiocarbonio. La maggior parte degli atomi di carbonio ha sei protoni e sei o sette neutroni nei loro nuclei (chiamati rispettivamente "isotopi 12C e 13C"). Però, i neutroni prodotti dai raggi cosmici possono reagire con l'azoto atmosferico per creare 14C, un isotopo pesante e instabile del carbonio che, col tempo, "decadrà radioattivamente" (si divide mentre emette radiazioni) di nuovo in azoto.

In natura, Il 14C è incredibilmente raro e costituisce solo uno su un trilione di atomi di carbonio. Ma, a parte il suo peso e le sue proprietà radioattive, Il 14C è sostanzialmente identico ai più comuni isotopi di carbonio. Si ossida per formare anidride carbonica ed entra nella catena alimentare mentre le piante assorbono la CO . radioattiva ₂ .

Il rapporto tra 12C e 14C in un dato organismo inizierà a cambiare quando quell'organismo muore e smette di ingerire carbonio. Il 14C già nel suo sistema inizia quindi a decadere. È un processo lento poiché il 14C ha un'emivita radioattiva di 5, 730 anni, ma è prevedibile, il che significa che i campioni organici possono essere datati misurando il rapporto tra 12C e 14C ancora rimanenti.

In questo modo, i raggi cosmici sono responsabili delle reazioni nucleari nell'atmosfera terrestre. Fino ad oggi, pensavamo che fosse l'unico canale naturale che producesse elementi radioattivi come il 14C. La parola "nucleare", così sinistro quando associato a "bomba" o "rifiuto", si riferisce semplicemente ai cambiamenti che si verificano in un nucleo atomico.

Inseguendo neutroni

Quasi 100 anni fa, il famoso fisico e meteorologo scozzese Charles Wilson propose che i temporali potessero anche innescare reazioni nucleari nell'atmosfera. Wilson, che intraprese il lavoro sul campo presso l'osservatorio meteorologico isolato sulla vetta del Ben Nevis, La montagna più alta della Gran Bretagna, era affascinato dalla formazione di nubi temporalesche e dall'elettricità atmosferica. Però, il suo suggerimento precedette la scoperta del neutrone - uno dei prodotti rivelatori delle reazioni nucleari - di sette anni, quindi la sua proposta non poteva essere testata.

Dai tempi di Wilson, ci sono stati molti studi che hanno affermato di aver rilevato neutroni prodotti da temporali, ma nessuno si è dimostrato definitivo. Altri hanno cercato radiazioni elettromagnetiche energetiche (raggi X e raggi gamma) che accompagnano la valanga di elettroni ad alta energia che sappiamo essere prodotta dai fulmini nelle nuvole temporalesche. I calcoli mostrano che questi elettroni e raggi gamma possono eliminare i neutroni dall'azoto e dall'ossigeno nell'atmosfera. Ma sebbene i raggi X e i raggi gamma siano stati osservati, non c'è mai stata un'osservazione diretta delle conseguenti reazioni nucleari che avvengono in un temporale.

Il nuovo studio utilizza un approccio diverso. Invece di cercare gli sfuggenti neutroni, gli autori si basano su altri sottoprodotti delle reazioni nucleari. Se elettroni e raggi gamma provocano la formazione di isotopi instabili di azoto e ossigeno per reazioni nucleari a seguito di un fulmine, questi dovrebbero decadere dopo pochi minuti per formare isotopi stabili di carbonio e azoto.

In modo cruciale, questo decadimento produce una particella nota come "positrone", la versione "antimateria" dell'elettrone. Tutte le particelle hanno versioni di antimateria di se stesse:queste hanno la stessa massa ma la carica opposta. Quando l'antimateria e la materia entrano in contatto, si annientano in un lampo di energia. Questa è l'energia che i ricercatori cercavano. Usando rilevatori di radiazioni che guardano sul Mar del Giappone, hanno osservato le inequivocabili impronte digitali dei raggi gamma dell'annientamento positrone-elettrone che ha luogo immediatamente dopo i fulmini nelle basse nuvole temporalesche invernali. Questa è una chiara prova di reazioni nucleari che avvengono nelle nuvole temporalesche.

Questi risultati sono importanti in quanto dimostrano una fonte precedentemente sconosciuta di isotopi nell'atmosfera terrestre. Questi includono carbonio-13, carbonio-14 e azoto-15 ma studi futuri potrebbero rivelarne anche altri, come gli isotopi dell'idrogeno, elio e berillio.

I risultati hanno anche implicazioni per gli astronomi e gli scienziati planetari. Altri pianeti all'interno del nostro sistema solare hanno temporali nelle loro atmosfere che potrebbero contribuire alla composizione delle loro atmosfere. Uno di questi pianeti è Giove, che è opportunamente anche il dio del tuono nell'antica mitologia romana.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. Leggi l'articolo originale.