پرواز با هواپیما در یک هوای توفانی شاید دریافت دزی معادل سی‌تی‌اسکن تمام بدن را برای مسافران به همراه داشته باشد.

دانشمندانی از آمریکا می‌گویند که مکانیزم جدیدی را برای تخلیه‌ی بار الکتریکی کشف کرده‌اند که می‌تواند توضیح دهد چگونه توفان‌های تندری درخش‌هایی از تابش گاما تولید می‌کنند. این اثر که «رعدوبرق تاریک» نامیده می‌شود، بی‌صداست، با چشم دیده نمی‌شود و حداقل بر طبق مدل‌های این پژوهش‌گران تهدیدی بالقوه برای مسافران هواپیما به شمار می‌رود. دلیل آن، این است که چنین رعدوبرقی پتانسیل کافی برای تولید درخش‌های پرتو گامای زمینی (TGFs) پرقدرتی را دارد و می‌تواند دز تابشی معادل اسکن توموگرافی اشعه‌ی ایکس (سی‌تی اسکن) از تمام بدن را به مسافران هوایی مجاور خود وارد کند.

موضوع نگران‌کننده‌ی دیگری برای مسافران هوایی

 TGFپالس‌های بسیار درخشانی از پرتوهای گامای ناشی از جو زمین هستند. آن‌ها تنها چندین دهم میلی‌ثانیه طول می‌کشند اما با استفاده از تجهیزات مبتنی بر ماهواره در صدها کیلومتر دورتر قابل تشخیص هستند. دانشمندان اوایل دهه‌ی 1990 در مورد TGF اطلاعاتی بدست آوردند؛ هنگامی که آن‌ها را به طور تصادفی به وسیله‌ی ابزارهای طراحی شده جهت اندازه‌گیری پرتوهای گامای مربوط به چشمه‌های اخترفیزیکی دوردست مانند ابرنواخترها و سیاه‌چاله‌ها، کشف کردند.

توفان‌های تندری[1]

برای مدتی طولانی هیچ‌کس نمی‌دانست که TGF از کجا می‌آیند. جوزف دویر (Joseph Dwyer) فیزیکدان و متخصص رعدوبرق از مؤسسه‌ی فن‌آوری فلوریدا و سرپرست این گروه توضیح می‌دهد: «این منطقی بود که فکر کنیم اگر ما می‌توانیم آن‌ها را از آسمان ببینیم، آن‌ها باید از قسمت بالایی جو آمده باشند. اما اشتباه بوده است. ما اکنون می‌دانیم که آن‌ها از اعماق درون جو و از توفان‌های تندری می‌آیند.»

همه‌ی انواع توفان‌های تندری، بزرگ یا کوچک، به نظر می‌رسد که می‌توانند TGF را با بسامد تقریبی یک به ازای هر 1000 رعدوبرق معمولی عمودی تولید کنند. اما تا همین اواخر به هیچ‌وجه معلوم نبود که چطور این کار صورت می‌گیرد. اکنون دویر و همکارانش به وسیله‌ی یک مدل فیزیکی موفق شده‌اند که توصیحی ارائه دهند و تهدید بالقوه‌‌ی به وجود آمده توسط TGF را برای هواپیمایی که معمولاً در ارتفاعات مشابه پرواز می‌کند، به طور عددی تعیین کنند.

شتاب‌دهنده‌ی شناور ذرات

در یک ابر طوفانی، هوای داغی که با سرعت در حال تورم است، به ذرات آب و یخ نیرو وارد می‌کند. در اثر اصطکاک پدید آمده بین آن‌ها باریکه‌هایی از یون به وجود می‌آید تا اختلاف پتانسیل بزرگی بین قسمت بالای ابر (با بار مثبت) و قسمت پایینی آن (با بار منفی) ایجاد شود. تصور می‌شود رعدوبرق زمانی اتفاق می‌افتد که لایه‌ی ‌عایق هوای بین مراکز بارها به طور ناگهانی شکسته شود. اما همان‌طور که توفان بار الکتریکی به دست می‌آورد، میدان الکتریکی قوی، ابر را به یک شتاب‌دهنده‌ی معلق ذرات تبدیل می‌کند. الکترون‌ها در اثر برخورد با مولکول‌های هوا سرعتی نزدیک به سرعت نور به دست می‌آورند و در اثر ایجاد بهمن هنوز الکترون‌هایی با سرعت بیشتر تولید می‌شوند.

در سرعت‌های نسبیتی، الکترون‌ها پرتوهای گامای تابش ترمزی را منتشر می‌کنند که برخی از آن‌ها به الکترون و پوزیترون واپاشی می‌کنند. الکترون‌هایی که به تازگی ایجاد شده‌اند، به بقیه ملحق شده و پرتوهای گاما تولید می‌کنند در حالی که پوزیترون‌ها به سمت مرکز منفی ابر توفانی غوطه‌ور شده، در اثر برخورد با مولکول‌های هوا برمی‌گردند و شروع به تولید آبشارهای بی‌شماری از الکترون‌ها می‌کنند. دویر توضیح می‌دهد : «شما یک حلقه‌ی بازخوردی ایجاد می‌کنید که پوزیترون‌ها الکترون‌ها را می‌سازند و الکترون‌ها پوزیترون‌ها را می‌سازند. بنابراین شما می‌توانید نوعی بهمن را از تعداد زیادی بهمن بدست آورید.»

مواد منفجره اما نامرئی    

این آبشار انفجاری در حدود 10¹⁷ الکترون تنها در چندین دهم میلی‌ثانیه در مکانی تولید می‌کند- در همان زمانی که فوران پرتوهای گاما صورت می‌گیرد-  که تعداد ذرات باردار آنجا آن‌قدر زیاد می‌شود که میدان الکتریکی توفان تندری فرو ریخته، به سرعت و به طور نامرئی بار الکتریکی خود را از دست می‌دهد. جریان‌های الکتریکی تولید شده به وسیله‌ی این پرتوهای الکترونی پرانرژی قابل مقایسه با آن‌هایی است که به واسطه‌ی رعدو‌برق‌های معمولی با ابعاد ده‌ها هزار آمپر تولید می‌شوند.

مدل این پژوهش‌گران موفقیت‌آمیز بوده است زیرا نه تنها TGF را با همان بسامد و ساختار پالسی که به وسیله‌ی ماهواره رویت کرده‌اند، پیش‌بینی می‌کند، بلکه بر طبق این مدل، TGF باید انفجارهای رادیویی به همراه داشته باشد؛ پدیده‌ای که به طور معمول با شبکه‌های زمینیِ اندازه‌گیری رعدوبرق محاسبه می‌شوند.

این گروه از مدل خود برای محاسبه‌ی دزهای تابشی رسیده به شحصی که در هواپیما هنگام توفان قرار دارد، استفاده کرد. آن‌ها دریافتند که در نزدیکی بالای توفان دز دریافتی معادل 10 بار عکس‌برداری اشعه‌ی ایکس از قفسه‌ی سینه است؛ معادل ذز دریافتی از چشمه‌های زمینه در طول یک سال. اما در نزدیکی مرکز توفان این دز حدود 10 برابر بزرگتر است، قابل مقایسه با دزهای دریافتی در طول برخی از فرآیندهای پزشکی و مقدار آن بر طبق گفته‌های دویر تقریباً معادل سی‌تی‌اسکن تمام بدن است.

دز تابشی قابل ملاحظه

دویر می‌گوید: «در موارد نادر ممکن است صدها نفر بدون آنکه بدانند دز قابل‌توجهی ناشی از رعدوبرق تاریک را به طور همزمان دریافت کنند.» اما او تاکید می‌کند که این خطر به اندازه‌ای نیست که کسی را بیش از حد نگران کند، خلبان‌ها حداکثر تلاش خود را می‌کنند تا از توفان‌های تندری دوری کنند و آن‌ها را دور بزنند. او می‌افزاید: «شما در توفان تندری قرار می‌گیرید، نه تنها در آن بلکه در بدترین قسمت آن دقیقاً در زمانی که اشتباه است.»

نیکلا اوستگارد (Nikolai Østgaard) از دانشگاه برگن نروژ می‌گوید: «نیاز به مشاهدات بیشتری است. همه‌ی اندازه‌گیری‌های مربوط به TGF توسط ابزارهایی انجام شده است که به این منظور طراحی نشده‌اند.»

دیوید اسمیت (David Smith) از دانشگاه کالیفرنیا معتقد است که کار نظری زیبا و قابل‌توجهی است، اما او هشدار می‌دهد که نظریه‌های مربوط به چگونگی تولید TGF هنوز قبول یا رد نشده‌اند و در این مدل TGF به هیچ‌وجه «تاریک» نیست. آن نیاز به درخش رعدوبرق معمولی دارد تا اتفاق بیفتد و به دنبال آن می‌آید. به زودی اسمیت می‌خواهد با کمک دویر و همکارانش آشکارساز پرتوهای گامای ADELE را در نزدیکی تندبادهایی روی هواپیمای بدون سرنشین Global Hawk به پرواز درآورند.  

این پژوهش در دهم آوریل در نشست اتحادیه‌ی اروپایی زمین‌شناسی در وین اتریش توضیح داده شد.

منبع: http://physicsworld.com/cws/article/news/2013/apr/17/dark-lightning-sheds-light-on-gamma-ray-mystery