Donder en bliksem wekken al sinds mensenheugenis ontzag en angst bij mensen op. In zowel moderne als oude culturen, deze natuurlijke fenomenen worden vaak verondersteld te worden geregeerd door enkele van de belangrijkste en machtigste goden - Indra in het hindoeïsme, Zeus in de Griekse mythologie en Thor in de Noorse mythologie.

We weten dat onweer een aantal opmerkelijke effecten kan veroorzaken, meest voorkomende stroomonderbrekingen, hagelbuien en huisdieren verstopt onder bedden. Maar het blijkt dat we nog dingen over ze moeten leren. Een nieuwe studie, gepubliceerd in Natuur, heeft nu aangetoond dat onweer ook radioactiviteit kan produceren door kernreacties in de atmosfeer teweeg te brengen.

Dit klinkt misschien als de plot van een blockbuster sciencefiction-ramp. Maar in werkelijkheid, het is niets om je zorgen over te maken. Sinds het begin van de 20e eeuw, wetenschappers zijn zich bewust van ioniserende straling - deeltjes en elektromagnetische golven die cellen kunnen beschadigen - die vanuit de ruimte in de atmosfeer van de aarde regenen. Deze straling kan reageren met atomen of moleculen, genoeg energie dragen om elektronen van atomen of moleculen vrij te maken. Het laat daarom een ​​"ion" achter met een positieve elektrische lading.

Iets meer dan een eeuw geleden, de Oostenrijkse natuurkundige Victor Hess deed metingen aan ionisatie in een heteluchtballon vijf kilometer boven het aardoppervlak. Hij merkte op dat de ionisatiesnelheid snel toenam met de hoogte, het tegenovergestelde van wat je zou verwachten als de bron van de ioniserende straling uit de grond zou komen. Hess concludeerde daarom dat er boven de atmosfeer een stralingsbron moet zijn met een zeer hoog doordringend vermogen. Hij werd in 1936 mede-ontvanger van de Nobelprijs voor natuurkunde genoemd voor zijn ontdekking, later "kosmische straling" genoemd.

We weten nu dat kosmische straling bestaat uit geladen deeltjes:voornamelijk, elektronen, atoomkernen en protonen - deze laatste vormen samen met neutronen de kern. Sommige zijn afkomstig van de zon, terwijl andere afkomstig zijn van de verre explosies van dode sterren in onze melkweg, bekend als supernova's. Wanneer deze kosmische stralen de atmosfeer van de aarde binnenkomen, ze interageren met atomen en moleculen om een ​​stortvloed van subatomaire deeltjes te produceren. Hiertoe behoren neutronen, die geen elektrische lading hebben.

Het zijn deze neutronen die radiokoolstofdatering mogelijk maken. De meeste koolstofatomen hebben zes protonen en zes of zeven neutronen in hun kern (respectievelijk "isotopen 12C en 13C" genoemd). Echter, neutronen geproduceerd door kosmische straling kunnen reageren met atmosferische stikstof om 14C te creëren, een zware en onstabiele isotoop van koolstof die, overuren, zal "radioactief vervallen" (opgesplitst terwijl straling wordt uitgestraald) terug in stikstof.

In de natuur, 14C is ongelooflijk zeldzaam en vormt slechts ongeveer één op een biljoen koolstofatomen. Maar, afgezien van zijn gewicht en radioactieve eigenschappen, 14C is in principe identiek aan de meer gebruikelijke koolstofisotopen. Het oxideert tot koolstofdioxide en komt in de voedselketen terecht als planten de radioactieve CO . opnemen ₂ .

De verhouding van 12C tot 14C in een bepaald organisme zal beginnen te veranderen wanneer dat organisme sterft en stopt met het opnemen van koolstof. De 14C die al in zijn systeem zit, begint dan te vervallen. Het is een langzaam proces aangezien 14C een radioactieve halfwaardetijd heeft van 5, 730 jaar, maar het is voorspelbaar wat betekent dat organische monsters kunnen worden gedateerd door de nog resterende verhouding van 12C tot 14C te meten.

Op deze manier, kosmische straling is verantwoordelijk voor kernreacties in de atmosfeer van de aarde. Tot vandaag, we dachten dat dit het enige natuurlijke kanaal was dat radioactieve elementen zoals 14C produceerde. Het woord "nucleair", zo sinister als je samenwerkt met "bom" of "afval", verwijst eenvoudigweg naar de veranderingen die worden veroorzaakt in een atoomkern.

Op jacht naar neutronen

Bijna 100 jaar geleden, de beroemde Schotse natuurkundige en meteoroloog Charles Wilson stelde voor dat onweer ook kernreacties in de atmosfeer zou kunnen veroorzaken. Wilson, die veldwerk deed bij het geïsoleerde meteorologische observatorium op de top van Ben Nevis, de hoogste berg van Groot-Brittannië, was gefascineerd door onweerswolkvorming en atmosferische elektriciteit. Echter, zijn suggestie dateert van vóór de ontdekking van het neutron - een van de verklikkerproducten van kernreacties - met zeven jaar, dus zijn voorstel kon niet worden getest.

Sinds de tijd van Wilson, er zijn veel onderzoeken geweest die beweerden door onweer geproduceerde neutronen te hebben gedetecteerd, maar geen enkele is definitief gebleken. Anderen hebben gezocht naar energetische elektromagnetische straling (röntgen- en gammastraling) die gepaard gaat met de lawine van hoogenergetische elektronen waarvan we weten dat ze wordt geproduceerd door bliksem in onweerswolken. Berekeningen laten zien dat deze elektronen en gammastraling neutronen uit stikstof en zuurstof in de atmosfeer kunnen halen. Maar hoewel de röntgen- en gammastraling zijn waargenomen, er is nooit een directe waarneming geweest van de daaruit voortvloeiende kernreacties die plaatsvinden in een onweersbui.

De nieuwe studie gebruikt een andere benadering. In plaats van te zoeken naar de ongrijpbare neutronen, de auteurs vertrouwen op andere bijproducten van de kernreacties. Als elektronen en gammastraling de vorming van instabiele isotopen van stikstof en zuurstof veroorzaken door kernreacties na een blikseminslag, deze zouden na een paar minuten moeten vervallen om stabiele isotopen van koolstof en stikstof te vormen.

Cruciaal, dit verval produceert een deeltje dat bekend staat als een "positron", de "antimaterie" versie van het elektron. Alle deeltjes hebben antimaterieversies van zichzelf - deze hebben dezelfde massa maar de tegenovergestelde lading. Wanneer antimaterie en materie met elkaar in contact komen, ze vernietigen in een flits van energie. Dit is de energie waar de onderzoekers naar zochten. Met behulp van stralingsdetectoren die uitkijken over de Zee van Japan, ze observeerden de ondubbelzinnige gammastraalvingerafdrukken van positron-elektronenvernietiging die plaatsvonden onmiddellijk na blikseminslag in lage winterse onweerswolken. Dit is een duidelijk bewijs dat kernreacties plaatsvinden in onweerswolken.

Deze resultaten zijn belangrijk omdat ze een voorheen onbekende bron van isotopen in de atmosfeer van de aarde aantonen. Deze omvatten koolstof-13, koolstof-14 en stikstof-15, maar toekomstige studies kunnen ook andere onthullen, zoals isotopen van waterstof, helium en beryllium.

De bevindingen hebben ook implicaties voor astronomen en planetaire wetenschappers. Andere planeten in ons zonnestelsel hebben onweersbuien in hun atmosfeer die kunnen bijdragen aan de samenstelling van hun atmosfeer. Een van deze planeten is Jupiter, die passend ook de god van de donder is in de oude Romeinse mythologie.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.