Bilim dünyasında genelde buluşlar tesadüfen gerçekleşir. İşte Avusturya Bilim ve Teknoloji Enstitüsü’nden Fizikçi Andrea Stöllner’in parçacık deneyleri umduğu gibi gitmedi ama yıldırımların nasıl oluştuğuna dair ilginç bir keşif yaptı.
Stöllner ışık cımbızlarıyla tuttuğu parçacıkları yüklemeye çalışan bir fizikçi ama yanlışlıkla yıldırımların nasıl oluştuğunu bulmuş olabilir. Yıldırımların nasıl oluştuğu bugün bile gizemini koruyan bir konudur.
Bilim insanları, gök gürültülü bulutların içindeki koşulları ölçmek için hava balonları göndermiş, fırtınaların içinden uçaklar uçurmuş ve yıldırımları ve bunların tetiklediği fotonükleer reaksiyonları yakalamak için yüksek hızlı kameralar ve sensörler kullanmışlardır.
Ancak yıldırımın nasıl oluşmaya başladığı halen tam olarak bilinmeyen bir gizemdi.
Fırtına bulutları güçlü bir şekilde yüklenir; bu kadarını biliyoruz. En birinci teoriye göre, bulutların içindeki buz kristallerinin graupel adı verilen yumuşak bir dolu türüyle çarpıştığında yüklendiği; zıt yüklerin ayrılmasıyla bir elektrik alanı oluşturduğu yönündedir.Ancak bir sorun var. Bulutların içinde ölçülen elektrik alanı oldukça zayıf bu nedenle, havayı elektrik akımının geçebileceği bir iletken haline getirecek kadar güçlü değildir.
İki yıldırım bilimcisi Joseph Dwyer ve Martin Uman, 2014 yılında yazdıkları makalede, “Bu, ya ölçümlerimizde bir sorun olduğunu ya da fırtına ortamında elektrik deşarjlarının(boşalmalarının) nasıl meydana geldiğine dair anlayışımızda bir sorun olduğunu gösteriyor,” demiştir.
Bilim adamlarının henüz keşfetmedikleri, bulutların içinde daha yüksek yoğunluklu elektrik alanları olabilir ya da buz kristalleri bir şekilde yıldırımın başlaması için gereken ilk kıvılcımı yaratıyor olabilir, diye Stöllner ScienceAlert’e konuştu.
Yüksek enerjili kozmik ışınlar da başka bir olasılık: Havayı iyonize ederek, yıldırım çakmasına neden olan serbest elektron yağmuru yaratabilirler.
“Ama yine de, bu tamamen farklı bir şey ya da tüm bunların bir karışımı da olabilir; bilmiyoruz”, diyor Stöllner.
Yıldırımın nasıl başladığına dair teoriler, büyük ölçüde gözlemler ve bilgisayar simülasyonlarına dayalı olarak 1950’ler ve 60’lardan beri ortalıkta dolaşıyor ve nadiren laboratuvar deneylerinde test ediliyor.
Fizikçi Scott Waitukaitis ve iklim bilimci Caroline Muller’in laboratuvarlarında doktora öğrencisi olan Stöllner, “Bence şimdi bu soruyu yeniden ele almak için iyi bir zaman, çünkü bunu test etmek için artık gerekli teknolojiye sahibiz,” diyor.
Lazer Tuzakta Hapsedilen Parçacık
Stöllner ve meslektaşları, yakın zamanda yaptıkları çalışmada lazerler kullanarak tek bir mikroskobik silika parçacığını “hapsetti” ve lazerin yoğunluğunu artırarak parçacığın yükünü ölçtüler. Nötr silika parçacığı yük biriktirdikçe, lazerin karşısındaki alternatif elektrik alanında “titrer”.
Ekibin ölçümleri, nötr silika parçacığının lazerden iki foton emdiğini, bunun da elektronları enerji kazandırdığı ve serbest bıraktığını gösteriyor. Böylece parçacığı pozitif yüklü bırakıyor.
Fakat Stöllner beklenmedik bir şey de fark etti: Bazen, bir parçacık haftalarca tutulduğunda, aniden titreşmeyi bırakıyordu. İşte bu olay atmosferde meydana gelirse, yıldırım gibi daha büyük bir olayı tetikleyebilecek anlık bir deşarjdı.
Stöllner, “Nasıl olduğunu bilmiyoruz, ama temel olarak yük çok hızlı bir şekilde düşüyor. Bunun nedenini bulmak için yoğun bir çaba içine girdik. Aslında bu, yıldırımın oluşumu ile hemen hemen aynı soru, sadece çok daha küçük bir ölçekte gerçekleşiyor, “diyor.
Yıldırım bağlantısı şu anda oldukça spekülatif, bu nedenle Stöllner hala deşarjları inceliyor ve parçacık boyutu, nem veya basıncın herhangi bir etkisi olup olmadığını test ediyor.
Minik Yıldırım Daha Detaylı Bir İnceleme Sağlayabilir
Stöllner, “ Aslen bu çalışmamız için bir sınırlamadır, çünkü her şey çok küçük ve çok ufak ölçektedir, 10 elektron yıldırım oluşturmaz” diyor. “Ancak diğer yandan, tek bir parçacığın şarj ve deşarjını inceleme, çok yüksek çözünürlüklü bir yöntemdir.”
Çalışmaya katılmayan Japonya’daki Okinawa Bilim ve Teknoloji Enstitüsü’nden fizikçi Dan Daniel, ScienceAlert’a tek bir mikron altı parçacığı yakalama, kontrol edilebilir şekilde şarj etme ve şarjını “mükemmel çözünürlükle” ölçme yeteneğinin “gerçekten etkileyici” olduğunu söyledi.
Daniel,“Bu, su damlacıklarının veya buz parçacıklarının şarjını incelemek için gereken hassasiyet seviyesidir . Yıldırım, bulut elektrifikasyonu ve atmosferik elektriği mikroskobik düzeyde anlamak için gerekli bir adımdır” diye açıkladı.
Bu yöntem, yükü ölçmek için metal elektrotlar kullanmadığı için bazı yönlerden daha gerçekçidir. Bunun yerine, parçacıklar atmosferdeki aerosoller gibi havada asılı kalır.
Stöllner, bu yöntemin önceki laboratuvar deneylerine göre daha zayıf elektrik alanları kullandığını da belirtiyor.
Ancak, yıldırımın oluşumunda ana rol oynayanların aerosoller değil, bulutlardaki buz kristalleri olduğu düşünülmektedir ve bunlar kendi başlarına karmaşık ve garip özelliklere sahiptir.
Daniel ayrıca, “Dünya’nın atmosferine çarpan güneş ışığının bu deneylerde kullanılan lazerlerden çok daha zayıf olduğunu belirtiyor. Ancak, toz parçacıkları ve aerosollerin UV ışınları altında yüklenebileceğine dair bazı kanıtlar var – muhtemelen çok fotonlu bir süreçten ziyade tek fotonlu bir süreçle gerçekleşecek,” diyor.
UV ışığı ve güneş rüzgarlarıyla bombardımana tutulan Ay’daki toz da yüklenir ve havada asılı kalarak ay roverlarını ve aletlerini tıkar.
Bu nedenle, deneysel çerçevemiz “sadece aydınlatma ve bulutların elektriklenmesi için değil, aynı zamanda gezegen bilimi ve uzay keşiflerindeki sorunların çözümü açısından,” önemlidir, diyor Daniel.
Çalışma Physical Review Letters dergisinde yayımlandı .
