Globalt sett är blixten ansvarig för över 4 000 dödsfall och miljarder dollar i skador varje år; Schweiz själv klarar upp till 150 000 strejker årligen. Att förstå exakt hur blixtar bildas är nyckeln för att minska risken, men eftersom blixtfenomen inträffar på submillisekunders tidsskalor är direkta mätningar extremt svåra att få.
Nu har forskare från Electromagnetic Compatibility Lab, ledd av Farhad Rachidi, vid EPFL:s School of Engineering för första gången direkt mätt ett svårfångat fenomen som förklarar mycket om födelsen av en blixt:röntgenstrålning.
I en samarbetsstudie med Yrkeshögskolan i västra Schweiz och Uppsala universitet i Sverige, registrerade de blixtnedslag i Säntis-tornet i nordöstra Schweiz, och identifierade röntgenstrålar associerade med början av uppåtriktade positiva blixtar. Dessa blixtar börjar med negativt laddade rankor (ledare) som stiger stegvis från ett objekt på hög höjd innan de ansluter till ett åskmoln och överför positiv laddning till marken.
"Vid havsnivån är uppåtgående blixtar sällsynta, men kan bli den dominerande typen på hög höjd. De har också potential att vara mer skadliga, för i en uppåtgående blixt förblir blixten i kontakt med en struktur längre än den gör under en nedåtriktad blixt, vilket ger den mer tid att överföra elektrisk laddning", förklarar Ph.D. kandidat Toma Oregel-Chaumont.
Även om röntgenstrålning tidigare har observerats från andra typer av blixtar, är det första gången de har fångats från positiva blixtar uppåt. Oregel-Chaumont, den första författaren till en vetenskaplig rapport papper som beskriver observationerna, säger att de ger värdefulla insikter om hur blixtar – och i synnerhet blixtar uppåt – bildas.
"Den faktiska mekanismen genom vilken blixtar initierar och fortplantar sig är fortfarande ett mysterium. Observationen av uppåtgående blixtar från höga strukturer som Säntis-tornet gör det möjligt att korrelera röntgenmätningar med andra samtidigt uppmätta storheter, som höghastighetsvideoobservationer och elektriska strömmar."
Det är kanske inte förvånande att de nya observationerna gjordes i Schweiz, eftersom Säntis-tornet erbjuder unika och idealiska mätförhållanden. Det 124 meter höga tornet ligger uppe på en hög topp i Appenzellalperna, vilket gör det till ett främsta blixtmål. Det finns en fri sikt från närliggande toppar, och den expansiva forskningsanläggningen är full av höghastighetskameror, röntgendetektorer, elektriska fältsensorer och strömmätande enheter.
Det avgörande är att hastigheten och känsligheten hos denna utrustning gjorde det möjligt för teamet att se skillnaden mellan negativa ledarsteg som avgav röntgenstrålar och de som inte gjorde det, vilket stöder en teori om blixtbildning känd som den kalla elektronmodellen. I ett nötskal, associeringen av röntgenstrålar med mycket snabba elektriska fältförändringar stödde teorin att plötsliga ökningar av luftens elektriska fält får omgivande elektroner att "rinna iväg" och bli ett plasma:blixt.
"Som fysiker gillar jag att kunna förstå teorin bakom observationer, men denna information är också viktig för att förstå blixten ur ett ingenjörsperspektiv:Fler och fler höghöjdsstrukturer, som vindkraftverk och flygplan, byggs av komposit. Dessa är mindre ledande än metaller som aluminium, så de värms upp mer, vilket gör dem sårbara för skador från uppåtgående blixtar, säger Oregel-Chaumont.
Observationerna på Säntis – som får över 100 blixtar varje år – pågår. Därefter planerar forskarna att lägga till en mikrovågssensor till tornets arsenal av utrustning; detta kan hjälpa till att avgöra om den kalla runaway-modellen också gäller nedåtgående blixtar, eftersom mikrovågor till skillnad från röntgenstrålar kan mätas från molnen.
Mer information: Toma Oregel-Chaumont et al, Direkta observationer av röntgenstrålar producerade av positiva blixtar uppåt, Scientific Reports (2024). DOI:10.1038/s41598-024-58520-x
Journalinformation: Vetenskapliga rapporter
Tillhandahålls av Ecole Polytechnique Federale de Lausanne
