Scientists have used cosmic rays from the distant universe to study lightning and thunderclouds in unprecedented detail. Cosmic rays constantly bombard Earth’s atmosphere, and there have been some suggestions they could even trigger lightning. But this particular experiment observed how cosmic rays were affected by lightning as they passed through it - providing information on the electrical field of a given storm. Scientists in The Netherlands were using the Lofar radio telescope. They found it could measure changes in lightning caused by cosmic rays (illustrated). A storm can have hundreds of millions of volts over multiple kilometres. The method could provide a novel way to understand thunderclouds . The experiment was conducted using the Lofar (Low-Frequency Array) radio telescope in the Netherlands. Researchers found, almost by accident, that cosmic rays were a suitable probe to measure electric fields within thunderclouds. High in the atmosphere, the rays strike atmospheric molecules and create ‘showers’ of elementary particles - the smallest known to exist. A long-standing puzzle in astrophysics is the source of ultra-high-energy particles from space that hit Earth. Called cosmic rays, they're up to a billion times more energetic than particles at Cern's Large Hadron Collider. They strike the atmosphere and cause an enormous shower of other particles, mostly muons, electrons and photons, over a wide area. Though they were discovered decades ago, cosmic rays at these high energies are very rare, making it difficult to pinpoint where in the universe they originated. It's thought that some come from supernovae, but it's likely there are other sources of cosmic rays in the universe as well. These showers can be measured from the radio emissions that are generated when they interact with Earth’s magnetic field. By measuring this during a thunderstorm, the researchers found they could find out information about the electric field in a thundercloud as it affected the radio emissions. It was found to be as strong as 50 kilovolts per one metre (3.3ft) - which translates into a voltage of hundreds of millions of volts over multiple kilometres, an enormous amount of energy. 'We modeled how the electric field in thunderstorms can explain the different measurements,’ said researcher Dr Pim Schellart from Radboud University in the Netherlands. ‘This worked very well. How the radio emission changes gives us a lot of information about the electric fields in thunderstorms. ‘We could even determine the strength of the electric field at a certain height in the cloud.’ Though they were discovered decades ago, cosmic rays at these high energies are very rare, making it difficult to pinpoint where in the universe they originated. It's thought that some come from supernovae (illustrated), but it's likely there are other sources of cosmic rays in the universe as well . Lightning is a highly unpredictable natural phenomenon that inflicts damage to infrastructure and claims many victims around the world each year. This new method to measure electric fields in thunderclouds will contribute to a better understanding and ultimately better predictions of lightning activity. Current measurement methods from planes, balloons or little rockets are dangerous and too localised. Most importantly, the presence of the measurement equipment influences the measurements too. Cosmic rays probe the thunderclouds from top to bottom. Moving at almost the speed of light they provide a near instantaneous 'picture' of the electric fields in the cloud. Moreover, they are created by nature and are freely available. 'This research is an exemplary form of interdisciplinary collaboration between astronomers, particle physicists and geophysicists', said Dr Heino Falcke, also from Radboud University. 'We hope to develop the model further to ultimately answer the question: how is lightning initiated within thunderclouds?' Lightning (shown in Utah) is a highly unpredictable natural phenomenon that inflicts damage to infrastructure and claims victims around the world. This new method to measure electric fields in thunderclouds will contribute to a better understanding and ultimately better predictions of lightning activity .
Scientists in The Netherlands were using the Lofar radio telescope .
They found it could measure changes in lightning caused by cosmic rays .
A storm can have hundreds of millions of volts over multiple kilometres .
Method could provide a novel way to understand thunderclouds .
מדענים השתמשו בקרניים קוסמיות מהיקום הרחוק כדי לחקור ברקים וענני רעמים בפירוט חסר תקדים. קרניים קוסמיות מפצצות ללא הרף את האטמוספירה של כדור הארץ, והיו כמה הצעות שהן יכולות אפילו להפעיל ברק. אבל הניסוי המסוים הזה צפה כיצד קרניים קוסמיות הושפעו מברק כשהן עוברות דרכה - מספק מידע על השדה החשמלי של סערה נתונה. מדענים בהולנד השתמשו בטלסקופ הרדיו לופר. הם גילו שהוא יכול למדוד שינויים בברקים הנגרמים על ידי קרניים קוסמיות (איור). סופה יכולה להיות בעלת מאות מיליוני וולט לאורך קילומטרים רבים. השיטה יכולה לספק דרך חדשה להבין ענני רעמים. הניסוי נערך באמצעות טלסקופ הרדיו Lofar (Low-Frequency Array) בהולנד. חוקרים מצאו, כמעט במקרה, שקרניים קוסמיות היו בדיקה מתאימה למדידת שדות חשמליים בתוך ענני רעמים. גבוה באטמוספירה, הקרניים פוגעות במולקולות אטמוספריות ויוצרות 'מטרים' של חלקיקים אלמנטריים - הקטנים ביותר שידוע על קיומם. חידה ארוכת שנים באסטרופיזיקה היא המקור לחלקיקים בעלי אנרגיה גבוהה במיוחד מהחלל שפגעו בכדור הארץ. המכונה קרניים קוסמיות, הן אנרגטיות עד פי מיליארד מחלקיקים במאיץ ההדרונים הגדול של סרן. הם פוגעים באטמוספירה וגורמים למטר עצום של חלקיקים אחרים, בעיקר מיואונים, אלקטרונים ופוטונים, על פני שטח רחב. למרות שהן התגלו לפני עשרות שנים, קרניים קוסמיות באנרגיות גבוהות אלו הן נדירות מאוד, מה שמקשה לאתר היכן ביקום מקורן. נהוג לחשוב שחלקן מגיעות מסופרנובות, אבל סביר להניח שיש ביקום גם מקורות אחרים של קרניים קוסמיות. ניתן למדוד את הממטרים הללו מפליטות הרדיו שנוצרות כאשר הם מקיימים אינטראקציה עם השדה המגנטי של כדור הארץ. על ידי מדידת זאת במהלך סופת רעמים, החוקרים גילו שהם יכולים לגלות מידע על השדה החשמלי בענן רעמים שכן הוא השפיע על פליטת הרדיו. נמצא כי הוא חזק עד 50 קילו-וולט למטר אחד (3.3 רגל) - מה שמתורגם למתח של מאות מיליוני וולט על פני מספר קילומטרים, כמות עצומה של אנרגיה. "דגמנו כיצד השדה החשמלי בסופות רעמים יכול להסביר את המדידות השונות", אמר החוקר ד"ר פים שלארט מאוניברסיטת רדבוד בהולנד. 'זה עבד טוב מאוד. כיצד משתנה פליטת הרדיו נותן לנו מידע רב על השדות החשמליים בסופות רעמים. 'אפילו יכולנו לקבוע את עוצמת השדה החשמלי בגובה מסוים בענן.' למרות שהן התגלו לפני עשרות שנים, קרניים קוסמיות באנרגיות גבוהות אלו הן נדירות מאוד, מה שמקשה לאתר היכן ביקום מקורן. נהוג לחשוב שחלקן מגיעות מסופרנובות (בציור), אבל סביר להניח שיש גם מקורות אחרים של קרניים קוסמיות ביקום. ברק הוא תופעת טבע מאוד בלתי צפויה שגורמת נזק לתשתיות וגובה קורבנות רבים ברחבי העולם מדי שנה. שיטה חדשה זו למדידת שדות חשמליים בענני רעמים תתרום להבנה טובה יותר ובסופו של דבר לחיזוי טוב יותר של פעילות הברקים. שיטות מדידה נוכחיות ממטוסים, בלונים או רקטות קטנות הן מסוכנות ומקומיות מדי. והכי חשוב, נוכחות ציוד המדידה משפיעה גם על המדידות. קרניים קוסמיות בודקות את ענני הרעמים מלמעלה למטה. כשהם נעים כמעט במהירות האור הם מספקים 'תמונה' כמעט מיידית של השדות החשמליים בענן. יתר על כן, הם נוצרים על ידי הטבע וזמינים באופן חופשי. "מחקר זה הוא צורה למופת של שיתוף פעולה בין-תחומי בין אסטרונומים, פיסיקאים של חלקיקים וגאופיזיקאים", אמר ד"ר היינו פאלקה, גם הוא מאוניברסיטת רדבוד. "אנחנו מקווים לפתח את המודל עוד יותר כדי לענות בסופו של דבר על השאלה: איך מתחילים ברק בתוך ענני רעמים?" ברק (מוצג ביוטה) הוא תופעת טבע בלתי צפויה ביותר שגורמת נזק לתשתיות וגובה קורבנות ברחבי העולם. שיטה חדשה זו למדידת שדות חשמליים בענני רעמים תתרום להבנה טובה יותר ובסופו של דבר תחזיות טובות יותר של פעילות הברקים.
מדענים בהולנד השתמשו בטלסקופ הרדיו לופר.
הם גילו שזה יכול למדוד שינויים בברקים הנגרמים על ידי קרניים קוסמיות.
סופה יכולה להיות בעלת מאות מיליוני וולט לאורך קילומטרים רבים.
השיטה יכולה לספק דרך חדשה להבין ענני רעמים.