Åska och blixtar har väckt vördnad och rädsla hos människor sedan urminnes tider. I både moderna och antika kulturer, dessa naturfenomen anses ofta styras av några av de viktigaste och mäktigaste gudarna – Indra inom hinduismen, Zeus i grekisk mytologi och Thor i nordisk mytologi.

Vi vet att åskväder kan utlösa ett antal anmärkningsvärda effekter, oftast strömavbrott, hagel och husdjur som gömmer sig under sängar. Men det visar sig att vi fortfarande har saker att lära om dem. En ny studie, publicerad i Nature, har nu visat att åskväder också kan producera radioaktivitet genom att utlösa kärnreaktioner i atmosfären.

Det här kan låta som handlingen i en stor science fiction-katastrof. Men i verkligheten, det är inget att oroa sig för. Sedan början av 1900-talet, Forskare har varit medvetna om att joniserande strålning – partiklar och elektromagnetiska vågor som kan skada celler – regnar ner i jordens atmosfär från rymden. Denna strålning kan reagera med atomer eller molekyler, bär tillräckligt med energi för att frigöra elektroner från antingen atomer eller molekyler. Den lämnar därför efter sig en "jon" med en positiv elektrisk laddning.

För drygt ett sekel sedan, den österrikiske fysikern Victor Hess gjorde mätningar av jonisering i en luftballong fem kilometer över jordens yta. Han noterade att joniseringshastigheten ökade snabbt med höjden, motsatsen till vad man kan förvänta sig om källan till den joniserande strålningen kommer från marken. Hess drog därför slutsatsen att det måste finnas en strålningskälla med mycket hög penetrerande kraft placerad ovanför atmosfären. Han utsågs till medmottagare av Nobelpriset i fysik 1936 för sin upptäckt, senare kallad "kosmiska strålar".

Vi vet nu att kosmisk strålning består av laddade partiklar:i första hand, elektroner, atomkärnor och protoner – de senare utgör kärnan tillsammans med neutroner. Vissa härstammar från solen, medan andra kommer från de avlägsna explosionerna av döda stjärnor i vår galax, kända som supernovor. När dessa kosmiska strålar kommer in i jordens atmosfär, de interagerar med atomer och molekyler för att producera en dusch av subatomära partiklar. Bland dessa finns neutroner, som inte har någon elektrisk laddning.

Det är dessa neutroner som gör radiokoldatering möjlig. De flesta kolatomer har sex protoner och antingen sex eller sju neutroner i sina kärnor (kallade "isotoper 12C respektive 13C"). Dock, neutroner som produceras av kosmiska strålar kan reagera med atmosfäriskt kväve för att skapa 14C, en tung och instabil isotop av kol som, över tid, kommer att "radioaktivt sönderfalla" (delas upp samtidigt som den avger strålning) tillbaka till kväve.

I naturen, 14C är otroligt sällsynt och utgör bara ungefär en av en biljon kolatomer. Men, förutom dess vikt och radioaktiva egenskaper, 14C är i princip identisk med de vanligare kolisotoperna. Det oxiderar för att bilda koldioxid och kommer in i näringskedjan när växter absorberar det radioaktiva CO ₂ .

Förhållandet mellan 12C och 14C i en given organism kommer att börja förändras när den organismen dör och slutar att få i sig kol. 14C som redan finns i sitt system börjar då att förfalla. Det är en långsam process eftersom 14C har en radioaktiv halveringstid på 5, 730 år, men det är förutsägbart, vilket innebär att organiska prover kan dateras genom att mäta förhållandet mellan 12C och 14C fortfarande kvar.

På det här sättet, kosmiska strålar är ansvariga för kärnreaktioner i jordens atmosfär. Tills idag, vi trodde att det var den enda naturliga kanalen som producerade radioaktiva ämnen som 14C. Ordet "kärnkraft", så olycksbådande när man samarbetar med "bomb" eller "waste", hänvisar helt enkelt till de förändringar som åstadkoms i en atomkärna.

Jagar neutroner

För nästan 100 år sedan, den berömda skotske fysikern och meteorologen Charles Wilson föreslog att åskväder också kunde utlösa kärnreaktioner i atmosfären. Wilson, som genomförde fältarbete vid det isolerade meteorologiska observatoriet på toppen av Ben Nevis, Storbritanniens högsta berg, fascinerades av åskmolnbildning och atmosfärisk elektricitet. Dock, hans förslag föregick upptäckten av neutronen – en av de avgörande produkterna av kärnreaktioner – med sju år, så hans förslag kunde inte testas.

Sedan Wilsons tid, det har gjorts många studier som har hävdat att de har upptäckt åskväder-producerade neutroner, men ingen har visat sig vara definitiv. Andra har sökt efter energisk elektromagnetisk strålning (röntgenstrålar och gammastrålar) som följer med lavinen av elektroner med hög energi som vi vet produceras genom att blixtra i åskmoln. Beräkningar visar att dessa elektroner och gammastrålar kan slå ut neutroner ur kväve och syre i atmosfären. Men även om röntgenstrålar och gammastrålar har observerats, det har aldrig varit en direkt observation av de därpå följande kärnreaktionerna som äger rum i åskväder.

Den nya studien använder ett annat tillvägagångssätt. Istället för att söka efter de svårfångade neutronerna, författarna förlitar sig på andra biprodukter av kärnreaktionerna. Om elektroner och gammastrålar orsakar att instabila isotoper av kväve och syre bildas genom kärnreaktioner efter ett blixtslag, dessa bör sönderfalla efter några minuter för att bilda stabila isotoper av kol och kväve.

Avgörande, detta sönderfall producerar en partikel känd som en "positron", "antimateria"-versionen av elektronen. Alla partiklar har antimateriaversioner av sig själva - dessa har samma massa men motsatt laddning. När antimateria och materia kommer i kontakt, de förintar i en blixt av energi. Det är den energin forskarna letade efter. Med hjälp av strålningsdetektorer som tittar över Japanska havet, de observerade de otvetydiga gammastrålningsfingeravtrycken från positron-elektronförintelse som ägde rum omedelbart efter blixtens slag i låga vinteråskmoln. Detta är ett tydligt bevis på kärnreaktioner som äger rum i åskmoln.

Dessa resultat är viktiga eftersom de visar en tidigare okänd källa till isotoper i jordens atmosfär. Dessa inkluderar kol-13, kol-14 och kväve-15 men framtida studier kan också avslöja andra, såsom isotoper av väte, helium och beryllium.

Resultaten har också konsekvenser för astronomer och planetforskare. Andra planeter i vårt solsystem har åskväder i atmosfären som kan bidra till sammansättningen av deras atmosfärer. En av dessa planeter är Jupiter, som passande nog också är åskguden i antik romersk mytologi.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.