Tijekom velike ljetne oluje 2018. nebo iznad Nizozemske proparala je ogromna munja - točno iznad sustava radioteleskopa. Njihova detaljna očitanja koja su znanstvenici analizirali tek nedavno pružila su neusporediv uvid u prirodu munja, odnosno način na koji one nastaju.

U najnovijem znanstvenom radu, koji će izaći u časopisu Geophysical Research Letters, stručnjaci su ova promatranja iskoristili kako bi riješili misterij nastanka munja unutar oblaka.

'Riječ je o prilično neugodnoj situaciji u kojoj nastojite objasniti jedan od najenergičnijih procesa na planetu - postoje religije koje su centrirane oko toga, a još nam nije jasno kako to točno radi', rekao je Brian Hare, stručnjak za munje sa Sveučilišta u Groeningenu i koautor znanstvenog rada.

Ako pogledamo u školske udžbenike, teorija o nastanku munja je sljedeća: tuča u oblacima pada dolje i radeći to sudara se sa sitnijim ledenim kristalima, odnosno njihovim negativnim elektronima, što dovodi do situacije u kojoj je gornji dio oblaka pozitivno nabijen dok je donji negativan. Razlika u potencijalu stvara električno polje koje raste sve dok nebo ne propara ogroman bljesak.

Zastarjele teorije

Problem s ovom teorijom je to što električna polja u oblacima, bar prema preciznim mjerenjima, nisu ni približno jaka da rezultiraju munjama. Joseph Dwyer, fizičar na Sveučilištu New Hampshire i koautor rada, kaže da upravo zato nitko nije bio siguran koji je pravi izvor te pojave.

Još jedan dosta velik problem to je što su oblaci neprozirni pa ni najbolje kamere ne mogu 'gledati' kroz njih u samom trenutku nastanka munja. Znanstvenici sve donedavno zbog toga nisu mogli napraviti ništa osim poslati mjerne instrumente u oluju - nešto što pokušavaju od čuvenog eksperimenta Benjamina Franklina. U posljednje vrijeme umjesto zmajeva u oblake su slali posebne instrumente montirane na balone. Problem je, doduše, to što prisutnost tih balona u oblacima utječe na prirodan nastanak munja.

Dwyer i tim su zbog toga za mjerenje iskoristili LOFAR, mrežu tisuća malih radioteleskopa smještenih uglavnom na području Nizozemske. LOFAR u pravilu služi za promatranje udaljenih galaksija, no Dwyer kaže da mu jako dobro ide i praćenje munja. Sustavom teleskopa je, objašnjava Wired, obavljeno očitanje milijuna radiopulsova iz svakog bljeska munje. Za razliku od vidljivog svjetla, radiopuls ima veliku prednost - može se probiti kroz guste oblake.

LOFAR, za razliku od, primjerice, sustava za praćenje munja u Novom Meksiku, ima veću rezoluciju, pa može pratiti trodimenzionalni nastanak munje na području od samo jednog metra dvjesto puta većom brzinom od ostalih instrumenata. Munja koja nastaje stvara milijune radiopulsova, a uz pomoć algoritama znanstvenici ih koriste za točno pozicioniranje nastalog izboja energije. Uz pomoć tisuća preciznih antena, algoritam može konstruirati vrlo jasnu mapu munje.

Znanstvenici su zahvaljujući ovom sustavu analizirali podatke o bljeskovima munje iz 2018. te prepoznali radiopulsove nastale u području od 70 metara unutar olujnog oblaka. Nakon toga naglasili su da uzorak pulsova podržava jednu do dvije vodeće teorije o nastanku munja.

Dvije teze - jedna pojava

Jedna ideja pretpostavlja da na nastanak munja utječu kozmičke zrake koje se sudaraju s elektronima unutar oluja i stvaraju električnu reakciju - lavine elektrona pojačavaju električno polje do trenutka nastanka munje.

Najnovija promatranja podržavaju drugu teoriju, prema kojoj nakupine ledenih kristala unutar turbulentne kolizije otpuštaju elektrone, pa dio kristala ostavljaju nabijene pozitivnim nabojem, a dio negativnim nabojem. Pozitivni dio privlači elektrone obližnjih molekula zraka, više elektrona dolazi iz molekula zraka koje su udaljene te time stvaraju trake ioniziranog zraka što se proteže od svakog vrha kristala. Te se trake zovu streameri.

Svaki vrh kristala stvara horde streamera koji se više puta račvaju te zagrijavaju okolni zrak, čupajući elektrone tolikom silinom da struja počne teći na ledene kristale. Streamer u jednom trenu postane vruć i provodljiv do te mjere da postaje leader - kanal kojim može putovati ono što nazivamo munjom.

'To je ono što vidimo', rekao je Christopher Strepka, jedan od autora novog znanstvenog rada. U videu u kojem možemo vidjeti nastanak bljeska radiopulsovi rastu eksponencijalnom brzinom zbog povećanog broja streamera. 'Nakon što je lavina prestala prepoznali smo prisutnost obližnjeg leadera', rekao je. U prošlih nekoliko mjeseci Strepka je snimio niz snimaka nastanka munja, a oni podsjećaju na onaj izvorni.

Zapanjujući utjecaj pandemije

Ključna uloga kristala leda u nastanku munja podudara se s nedavnim otkrićem da je aktivnost munja pala za 10 posto tijekom prva tri mjeseca pandemije i to vrlo vjerojatno zbog lockdowna koji su smanjili zagađenje u zraku i samim time smanjili broj mjesta na kojima nastaju ledeni kristali.

'Koraci koje je postavio LOFAR su značajni', rekla je Ute Ebert, fizičarka u Državnom institutu za matematiku i računalne znanosti te predstavnica Tehnološkog sveučilišta Eindhoven u Nizozemskoj. Ebert proučava nastanak munja, no nije sudjelovala u ovom znanstvenom radu. Prema njoj, LOFAR-ova otkrića stvaraju temelje na kojima se mogu razvijati simulacije nastanka munje koje dosad nismo mogli raditi zbog male rezolucije snimki.

Ebert naglašava da, unatoč rezoluciji, snimka nastanka munje spomenuta u studiji ne prikazuje ledene kristale koji ioniziraju zrak - ona prikazuje ono što se dogodi nakon toga. 'Odakle dolazi prvi elektron? Kako nastaje pražnjenje blizu ledene čestice? Neki znanstvenici, unatoč ovim otkrićima, preferiraju teoriju prema kojoj su za munje odgovorne kozmičke zrake. Premda je to možda manje izvjesno, postoji šansa da one zbilja imaju neku razinu utjecaja na ovu prirodnu pojavu - sekundarnu ulogu u stvaranju elektrona i pokretanju prvih streamera koji se spajaju s kristalima leda. Točan način na koji se streamer pretvara u leadera dio je veće debate', kaže pak autor rada.

Mali korak prema otkriću

Dwyer se nada da će LOFAR moći riješiti misterij ovih procesa. 'Pokušavamo vidjeti prve male iskre koje nastaju na vrhovima ledenih kristala kako bismo snimili početak procesa', napominje Hare.

To je samo prvi od niza zapetljanih koraka koje munja vrši tijekom putovanja prema tlu. 'Ne znamo kako se širi i raste, ne znamo ni kako se točno spaja s tlom', rekao je Hare. Znanstvenici se nadaju da će uz pomoć LOFAR-a moći popratiti taj proces. 'Riječ je o novoj tehnici analiziranja munja te će pružiti puno bolji uvid u ovu prirodnu pojavu', istakla je Julia Tilles, znanstvenica iz Sandia National Laboratoriesa u Novom Meksiku.