Khi Benjamin Franklin buộc một chiếc chìa khóa cho một con diều và bay nó vào một cơn bão sét, anh ta nhanh chóng trở thành một thiết bị cắm vào máy phát điện mạnh nhất trên Trái đất.
Franklin biết, như hầu hết mọi người làm, rằng giông bão có sức mạnh đáng kinh ngạc. Các nhà nghiên cứu đã cố gắng ước tính chính xác làm sao mạnh mẽ trong hơn một thế kỷ, nhưng luôn xuất hiện trong thời gian ngắn - ngay cả những cảm biến trên không tinh vi nhất cũng không đủ vì tiếng sét chỉ quá lớn và không thể đoán trước được.
Bây giờ, trong một bài báo xuất bản ngày 15 tháng 3 trên tạp chí Phys Review Letters, các nhà nghiên cứu ở Ooty, Ấn Độ, đã đưa ra một câu trả lời mới gây sốc - nhờ một chút trợ giúp từ một số tia vũ trụ.
Sử dụng một loạt các cảm biến được thiết kế để đo điện trường và cường độ của muon - các hạt nặng liên tục mưa từ bầu khí quyển trên trái đất, phân rã khi chúng đi qua vật chất - nhóm nghiên cứu đã đo điện áp của một tiếng sét lớn lăn qua Ooty trong 18 phút vào ngày 1 tháng 12 năm 2014. Các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng, trung bình, đám mây được sạc với khoảng 1,3 gigavol điện, gấp 1,3 lần 10 ^ 9 volt - điện áp cao hơn khoảng 10 triệu lần so với nguồn điện thông thường được cung cấp trong một ổ cắm điện thông thường Bắc Mỹ.
"Điều này giải thích tại sao tiếng sét rất tàn phá", đồng tác giả nghiên cứu Sunil Gupta, nhà nghiên cứu tia vũ trụ tại Viện nghiên cứu cơ bản Tata của Ấn Độ, nói với Live Science. "Nếu bạn tiêu tan lượng năng lượng khổng lồ này thông qua bất cứ thứ gì, nó sẽ gây ra sự tàn phá nghiêm trọng."
Trời đang mưa
Gupta và các đồng nghiệp của ông chủ yếu nghiên cứu muon - các hạt giống như electron được tạo ra khi các tia vũ trụ đâm vào các nguyên tử khác nhau trong bầu khí quyển của Trái đất. Những hạt này có khoảng một nửa spin electron nhưng trọng lượng gấp 200 lần và rất tốt trong việc thâm nhập vật chất. Một muon rơi xuống từ bầu khí quyển có thể đi sâu vào các đại dương hoặc dặm dưới lòng đất chỉ trong một phần nhỏ của một giây, miễn là nó có đủ năng lượng.
Muons mất năng lượng khi có thứ gì đó cản đường họ - ví dụ, một kim tự tháp chẳng hạn. Đầu năm 2018, các nhà khoa học đã phát hiện ra hai khoang chưa được biết đến trước đây bên trong Đại kim tự tháp Giza bằng cách thiết lập các máy dò muon xung quanh cấu trúc và đo nơi các hạt bị mất (và không mất) năng lượng. Muon đi qua các bức tường đá của kim tự tháp mất nhiều năng lượng hơn so với các muon đi qua các buồng lớn, trống rỗng. Kết quả cho phép các nhà nghiên cứu tạo ra một bản đồ mới về bên trong của kim tự tháp mà không cần đặt chân vào bên trong nó.
Gupta và các đồng nghiệp đã sử dụng một phương pháp tương tự để lập bản đồ năng lượng bên trong tiếng sét Ooty. Tuy nhiên, thay vì tranh chấp với đá, muon rơi qua đám mây phải đối mặt với một điện trường hỗn loạn.
"Bão có một lớp tích điện dương ở trên và một lớp tích điện âm ở phía dưới", Gupta nói. "Nếu một muon tích điện dương chạm vào đám mây khi trời mưa từ bầu khí quyển phía trên, nó sẽ bị đẩy lùi và mất năng lượng."
Sử dụng một loạt các cảm biến muon-phát hiện và bốn điện màn lĩnh vực trải rộng trên nhiều dặm, các nhà nghiên cứu đã đo thả trung bình về năng lượng giữa muon rằng đi qua đám mây dông và những người không đi qua nó. Từ sự mất năng lượng này, nhóm nghiên cứu đã có thể tính được lượng điện thế mà các hạt đã đi qua trong đám mây sấm sét.
Nó thật đồ sộ.
"Các nhà khoa học ước tính rằng sấm sét có thể có tiềm năng gigavolt trong những năm 1920", Gupta nói, "Nhưng nó chưa bao giờ được chứng minh - cho đến bây giờ."
Lập bản đồ sấm sét
Một khi các nhà nghiên cứu biết tiềm năng điện của đám mây, họ muốn tiến thêm một bước và đo chính xác lượng sấm sét mang theo khi nó gầm lên trên Ooty.
Sử dụng dữ liệu từ màn hình điện trường phân tán rộng rãi của mình, nhóm nghiên cứu điền vào một số chi tiết quan trọng về điện toán đám mây - đó là được đi du lịch ở khoảng 40 mph (60 km / h) ở độ cao 7 dặm (11,4 km) trên mực nước biển, có diện tích ước tính khoảng 146 dặm vuông (380 km vuông, diện tích khoảng sáu lần so với kích thước của Manhattan), và đạt tiềm năng điện tối đa của nó chỉ 6 phút sau khi xuất hiện.
Được trang bị kiến thức này, các nhà nghiên cứu cuối cùng đã có thể tính toán rằng giông bão mang theo khoảng 2 gigawatt năng lượng, khiến đám mây đơn lẻ này mạnh hơn các nhà máy điện hạt nhân mạnh nhất thế giới, Gupta nói.
"Lượng năng lượng được lưu trữ ở đây đủ để cung cấp cho tất cả các nhu cầu năng lượng của một thành phố như Thành phố New York trong 26 phút", Gupta nói. "Nếu bạn có thể khai thác nó. "
Với công nghệ hiện tại, đó là một triển vọng khó có thể xảy ra, Gupta lưu ý: Lượng năng lượng tiêu tan bởi một cơn bão như vậy cao đến mức có thể làm tan chảy bất kỳ dây dẫn nào.
Tuy nhiên, tiềm năng mạnh mẽ của giông bão có thể giúp giải quyết một bí ẩn vũ trụ mà các nhà khoa học như Gupta và các đồng nghiệp của ông đã yêu cầu trong nhiều thập kỷ: Tại sao các vệ tinh đôi khi phát hiện các tia gamma năng lượng cao nổ ra từ bầu khí quyển Trái đất, khi chúng phải rơi xuống từ không gian ?
Theo Gupta, nếu giông bão thực sự có thể tạo ra một thế năng điện lớn hơn một gigavolt, thì chúng cũng có thể tăng tốc các electron đủ nhanh để phá vỡ các nguyên tử khác trong khí quyển, tạo ra các tia sáng tia gamma.
Giải thích này đòi hỏi nhiều nghiên cứu hơn để xác minh tính chính xác của nó, Gupta nói. Trong lúc này, hãy chắc chắn sẽ ngạc nhiên trước tiếng sét tiếp theo mà bạn thấy, vì đó là một lực lượng mạnh mẽ không thể chối cãi của tự nhiên - và, xin vui lòng, suy nghĩ hai lần trước khi thả diều.
