W silnych polach elektrycznych wewnątrz burzowej chmury elektrony mogą zostać rozpędzone do ogromnych prędkości. Gdy zderzają się z cząsteczkami powietrza, może powstawać promieniowanie rentgenowskie, a czasem także promieniowanie gamma. Takie krótkie rozbłyski nazywa się ziemskimi błyskami gamma, czyli TGF, od angielskiego terrestrial gamma-ray flash. Są to impulsy promieniowania o energiach znacznie większych niż w zwykłym świetle widzialnym czy promieniowaniu ultrafioletowym. Trwają zwykle bardzo krótko - milionowe części sekundy - i przez długi czas były wykrywane głównie z kosmosu, przez satelity obserwujące atmosferę z góry. Z czasem okazało się jednak, że część takich błysków może być skierowana w dół, ku powierzchni Ziemi. Wtedy można je rejestrować z poziomu gruntu. To trudne, bo trzeba jednocześnie uchwycić bardzo krótki impuls promieniowania i dokładnie wiedzieć, co w tym samym czasie działo się w samym piorunie. Potrzebne są detektory cząstek, anteny radiowe, szybkie kamery i systemy mapujące przebieg wyładowania.

W artykule opublikowanym przez duży międzynarodowy zespół naukowców, w tym badaczy z Uniwersytetu Łódzkiego (UŁ) i Narodowego Centrum Badań Jądrowych (NCBJ), w czasopiśmie naukowym „Journal of Geophysical Research: Atmospheres” (doi: 10.1029/2025JD046103) opisano właśnie taką obserwację. Naukowcy zarejestrowali błysk gamma skierowany ku ziemi, związany z ujemnym piorunem chmura–ziemia. Ujemnym, czyli takim, w którym do ziemi przenoszony jest ładunek ujemny. Nie był to pojedynczy prosty błysk. Całe wyładowanie składało się z dziewięciu kolejnych uderzeń w ziemię, z trzema różnymi punktami trafienia. Błysk gamma pojawił się tuż przed piątym uderzeniem. Kolejne uderzenia w tym samym piorunie nie powstają od zera. Pierwsza część wyładowania toruje drogę przez powietrze, tworząc przewodzący kanał. Późniejsze impulsy mogą korzystać z już częściowo zjonizowanej ścieżki, czyli z powietrza, w którym wcześniej powstały swobodne ładunki.

Kluczowym etapem jest tzw. lider. To rozwijający się kanał wyładowania, który poprzedza właściwe uderzenie prądu do ziemi. W pierwszym uderzeniu lider często porusza się skokowo, krok po kroku, przez jeszcze nieprzygotowane powietrze. W kolejnych uderzeniach może pojawić się lider strzałkowy, który biegnie szybciej po śladzie wcześniejszego kanału. Właśnie z takim liderem strzałkowym powiązano opisany błysk gamma.

To czyni tę obserwację szczególnie interesującą. Wcześniej promieniowanie rentgenowskie obserwowano zarówno przy liderach skokowych, jak i strzałkowych. Ziemskie błyski gamma skierowane w dół najczęściej wiązano jednak z początkowymi etapami rozwoju wyładowania albo z pierwszym uderzeniem. Tutaj błysk gamma wystąpił podczas późniejszego, szybkiego lidera strzałkowego w ujemnym piorunie chmura–ziemia.

Do obserwacji wykorzystano układ Telescope Array Surface Detector w stanie Utah w USA. To rozległa sieć detektorów zbudowana pierwotnie do badań promieniowania kosmicznego. Rozmieszczone na dużym obszarze detektory mogą rejestrować cząstki i promieniowanie docierające do powierzchni Ziemi. W tym przypadku zadziałały jak ogromne oko patrzące na burzę nad sobą.

Sam błysk gamma został zarejestrowany przez sześć sąsiednich detektorów. Trwał około 68 mikrosekund, czyli 68 milionowych części sekundy. Całkowita energia zdeponowana w detektorach wyniosła 1352 MeV. Równocześnie inne instrumenty śledziły sam piorun. System mapowania wyładowań radiowych pozwalał odtworzyć położenie źródeł sygnału w czasie, interferometr radiowy pokazywał kierunek, z którego nadchodziły impulsy, szybka antena mierzyła zmiany pola elektrycznego, a kamery rejestrowały obraz optyczny. Dzięki temu można było połączyć błysk gamma z konkretnym momentem rozwoju lidera, a nie tylko z ogólną obecnością burzy.

Okazało się, że lider poprzedzający piąte uderzenie był najszybszy w całej sekwencji. Jego prędkość oszacowano na około 23 miliony metrów na sekundę. To mniej niż prędkość światła, ale w skali zjawisk atmosferycznych jest to ruch niezwykle szybki. Piąte uderzenie miało też największy prąd szczytowy spośród wszystkich dziewięciu uderzeń w tym piorunie.

Pole elektryczne w pobliżu lidera pioruna może lokalnie rozpędzać elektrony. Część z nich zyskuje tak dużą energię, że uruchamia kaskadę kolejnych cząstek i fotonów. Wystarczy bardzo krótki moment i niewielki obszar w powietrzu, aby zwykła burza stała się naturalnym akceleratorem cząstek. Źródło błysku gamma oszacowano na wysokości około 1,45 km nad ziemią. To oznacza, że wysokoenergetyczne promieniowanie powstało nisko w atmosferze, w końcowym etapie rozwoju kanału prowadzącego do powierzchni. Badacze wskazują, że emisja trwała niemal do momentu właściwego uderzenia powrotnego, czyli gwałtownego przepływu prądu widocznego jako jasny błysk pioruna.

Fizycy zwracają uwagę, że w tym konkretnym przypadku mogło zadziałać kilka czynników naraz: szybki lider, duży prąd kolejnego uderzenia, pozostałości ładunku po wcześniejszych uderzeniach oraz zaburzenia w powietrzu przed czołem lidera. To prawdopodobnie stworzyło warunki sprzyjające powstaniu błysku gamma właśnie w późniejszym etapie wielokrotnego pioruna.

Czy takiego promieniowania trzeba się bać? Promieniowanie gamma jest przenikliwe, więc ściany budynku czy karoseria samochodu nie zatrzymują go tak skutecznie, jak chronią nas przed samym piorunem. Ważna jest jednak skala zjawiska. Na co dzień i tak żyjemy w słabym, naturalnym tle promieniowania jonizującego: dociera do nas promieniowanie kosmiczne, a niewielki wkład pochodzi także od naturalnych pierwiastków promieniotwórczych obecnych w gruncie i skałach. Błysk gamma związany z piorunem jest krótkim, lokalnym impulsem, powstającym tylko w szczególnych warunkach w pobliżu wyładowania. Badacze zmierzyli promieniowanie w detektorach, ale nie przeliczali go na dawkę dla człowieka stojącego w pobliżu.

To ciekawe zjawisko fizyczne, które warto badać, ale podczas burzy nadal najbardziej realnym zagrożeniem pozostaje sam piorun, a nie dodatkowy błysk gamma.

Krzysztof Petelczyc (PAP)

kmp/ zan/