L'uragano Patricia è stato il ciclone tropicale più intenso mai registrato nell'emisfero occidentale mentre si avvicinava alla costa occidentale del Messico nel 2015. I ricercatori hanno rilevato un raggio di positroni inverso da un lampo di raggi gamma terrestre associato a un fulmine nell'occhio dell'uragano. Credito:immagine della NASA di Jeff Schmaltz, LANCE/EOSDIS Risposta rapida
L'uragano Patrizia, che ha colpito la costa occidentale del Messico nel 2015, è stato il ciclone tropicale più intenso mai registrato nell'emisfero occidentale. Tra l'estrema violenza della tempesta, gli scienziati hanno osservato qualcosa di nuovo:un fascio di positroni verso il basso, la controparte di antimateria degli elettroni, creando un'esplosione di potenti raggi gamma e raggi X.
Rilevato da uno strumento a bordo dell'aereo Hurricane Hunter della NOAA, che volò attraverso l'occhio della tempesta alla sua massima intensità, il raggio di positroni non è stato una sorpresa per gli scienziati dell'UC Santa Cruz che hanno costruito lo strumento. Ma era la prima volta che qualcuno osservava questo fenomeno.
Secondo David Smith, un professore di fisica all'UC Santa Cruz, il raggio di positroni era la componente verso il basso di un lampo di raggi gamma terrestre verso l'alto che inviava una breve esplosione di radiazioni nello spazio sopra la tempesta. I lampi di raggi gamma terrestri (TGF) sono stati osservati per la prima volta nel 1994 da rilevatori di raggi gamma spaziali. Si verificano in concomitanza con i fulmini e ora sono stati osservati migliaia di volte dai satelliti in orbita. Un fascio di positroni inverso è stato previsto da modelli teorici di TGF, ma non era mai stato rilevato.
"Questa è la prima conferma di quella previsione teorica, e mostra che i TGF stanno perforando l'atmosfera da cima a fondo con radiazioni ad alta energia, " disse Smith. "Questo evento potrebbe essere stato rilevato dallo spazio, come quasi tutti gli altri TGF segnalati, come un raggio ascendente causato da una valanga di elettroni. L'abbiamo visto dal basso a causa di un raggio di antimateria (positroni) inviato nella direzione opposta."
I ricercatori dei laboratori SCIPP dell'UC Santa Cruz hanno costruito il rilevatore aereo per le emissioni di fulmini energetici (ADELE) mark II per osservare da vicino i TGF misurando i raggi X e i raggi gamma da aerei sorvolati o sopra i temporali. Credito:Gregory Bowers
Un'implicazione inaspettata dello studio, pubblicato il 17 maggio nel Giornale di ricerca geofisica : Atmosfere , è che molti TGF potrebbero essere rilevati tramite il fascio di positroni inverso utilizzando strumenti a terra ad alta quota. Non è necessario volare nell'occhio di un uragano.
"L'abbiamo rilevato a un'altitudine di 2,5 chilometri, e ho stimato che i nostri rilevatori avrebbero potuto vederlo fino a 1,5 chilometri. Questa è l'altitudine di Denver, quindi ci sono molti posti dove potresti in teoria vederli se avessi uno strumento nel posto giusto al momento giusto durante un temporale, " ha detto Smith.
Nonostante la conferma del fascio di positroni inverso, molte domande rimangono irrisolte sui meccanismi che guidano i TGF. I forti campi elettrici nei temporali possono accelerare gli elettroni fino a raggiungere la velocità della luce, e questi elettroni "relativistici" emettono raggi gamma quando si disperdono dagli atomi nell'atmosfera. Gli elettroni possono anche far cadere altri elettroni dagli atomi e accelerarli ad alte energie, creando una valanga di elettroni relativistici. Un TGF, che è un lampo estremamente luminoso di raggi gamma, richiede un gran numero di valanghe di elettroni relativistici.
"È un evento straordinario, e ancora non capiamo come diventi così brillante, " ha detto Smith.
L'ADELE mark II è volato a bordo dell'Hurricane Hunter WP-3D Orion della NOAA durante la stagione degli uragani atlantici. Credito:Gregory Bowers
La fonte dei positroni, però, è un fenomeno ben noto in fisica chiamato produzione di coppie, in cui un raggio gamma interagisce con il nucleo di un atomo per creare un elettrone e un positrone. Poiché hanno cariche opposte, sono accelerati in direzioni opposte dal campo elettrico del temporale. I positroni che si muovono verso il basso producono raggi X e raggi gamma nella loro direzione di marcia quando si scontrano con i nuclei atomici, proprio come gli elettroni che si muovono verso l'alto.
"Quello che abbiamo visto nell'aereo sono i raggi gamma prodotti dal raggio di positroni verso il basso, " ha detto Smith.
Primo autore Gregory Bowers, ora al Los Alamos National Laboratory, e coautrice Nicole Kelley, ora su Swift Navigation, erano entrambi studenti laureati all'UC Santa Cruz quando hanno lavorato insieme allo strumento che ha effettuato il rilevamento. L'Airborne Detector for Energetic Lightning Emissions (ADELE) mark II è stato progettato per osservare da vicino i TGF misurando i raggi X e i raggi gamma da aerei sorvolati o sopra i temporali.
Avvicinarsi troppo a un TGF potrebbe essere pericoloso, anche se il rischio diminuisce rapidamente con la distanza dalla fonte. La dose di raggi gamma a una distanza di un chilometro sarebbe trascurabile, ha detto Smith. "È ipoteticamente un rischio, ma le probabilità sono piuttosto piccole, " ha detto. "Non chiedo ai piloti di volare nei temporali, ma se vanno lo stesso metterò uno strumento a bordo."
Il gruppo di Smith è stato il primo a rilevare un TGF da un aereo utilizzando uno strumento precedente, il marchio ADELE I. In tal caso, il raggio ascendente dal TGF è stato rilevato sopra un temporale. Per questo studio, l'ADELE mark II ha volato a bordo dell'Hurricane Hunter WP-3-D Orion della NOAA durante la stagione degli uragani atlantici.
