Tunetele și fulgerele au fascinat omenirea din cele mai vechi timpuri. Pentru grecii antici, fulgerul era arma lui Zeus. Pentru nordici, era manifestarea furiei lui Thor. Chiar și astăzi, în ciuda sateliților, supercomputerelor și fizicii moderne, oamenii de știință încă nu pot răspunde complet la o întrebare aparent simplă: cum începe, de fapt, un fulger?
În mod surprinzător, această întrebare s-a dovedit a fi una dintre cele mai dificile din fizica atmosferei. Iar răspunsul pare să implice fenomene asociate mai degrabă cu exploziile stelare, găurile negre și acceleratoarele de particule, decât cu norii unei furtuni.
În ultimele decenii, cercetătorii au descoperit că norii de furtună sunt mult mai violenți și mai exotici decât se credea. Ei produc raze X, emit radiații gama și generează avalanșe de particule subatomice care ating viteze apropiate de cea a luminii. Cu alte cuvinte, în interiorul unei furtuni are loc o adevărată fizică de înaltă energie.
Problema fundamentală: câmpul electric este prea slab
La prima vedere, explicația fulgerului pare simplă. Dacă două regiuni au sarcini electrice opuse și diferența de potențial devine suficient de mare, aerul dintre ele se ionizează și apare o descărcare electrică. Exact același fenomen poate fi observat într-un laborator între două sfere metalice încărcate electric.
Benjamin Franklin a legat pentru prima dată fulgerul de electricitate prin celebrul experiment cu zmeul din 1752. Timp de aproape două secole, fizicienii au crezut că fulgerul este doar o versiune gigantică a scânteilor produse în laborator.
Dar în secolul XX au apărut probleme serioase.
Cercetătorii au început să trimită în furtuni baloane meteorologice, rachete și instrumente sofisticate pentru a măsura câmpurile electrice din nori. Descoperirea a fost șocantă: norii nu aveau câmpuri electrice suficient de puternice pentru a produce fulgere.
Pentru ca aerul să se „spargă” electric și să devină conductor este necesar un câmp electric de aproximativ: E ≈ 3 × 106 V/m.
Însă măsurătorile reale din furtuni indicau valori de doar o zecime sau, în cele mai intense cazuri, o treime din această valoare critică.
Prin urmare, dacă norii nu ating pragul necesar, atunci cum apar miliardele de fulgere observate anual pe Pământ?
Cum se încarcă electric norii
Furtunile generează electricitate prin ciocnirea particulelor de gheață din interiorul norilor. Cristalele mici și ușoare tind să capete sarcină pozitivă și să urce, în timp ce particulele mai mari și mai grele acumulează electroni și coboară.
Astfel se formează regiuni separate de sarcină electrică, iar între ele apare un câmp electric. În general, partea superioară a norului devine pozitivă, partea inferioară devine negativă, iar la sol se induce o sarcină pozitivă. Totuși, această separare nu pare suficientă pentru a explica declanșarea fulgerului.
Ipoteza cristalelor de gheață ascuțite
Un indiciu important venea chiar de la Franklin. El observase că obiectele ascuțite favorizează apariția scânteilor electrice.
Astăzi știm că vârfurile ascuțite concentrează liniile câmpului electric și cresc intensitatea locală a acestuia. De aceea paratrăsnetele au vârfuri metalice.
Unii fizicieni au sugerat că în interiorul norilor există cristale de gheață alungite și ascuțite care pot amplifica local câmpul electric suficient pentru a porni fulgerul. Aceste particule, numite hidrometeori, ar putea acționa ca niște mici amplificatoare electrice. Multă vreme teoria a părut plauzibilă. Dar apoi au apărut observațiile din spațiu.
Descoperirea care a schimbat totul: razele gama din furtuni
În 1994, un satelit NASA care căuta explozii cosmice extrem de violente a detectat ceva complet neașteptat: impulsuri de radiații gama provenind din nori de furtună.
Radiațiile gama reprezintă cea mai energetică formă de lumină electromagnetică. Ele sunt asociate în mod normal cu supernove, stele neutronice și găuri negre. Nimeni nu se aștepta ca asemenea radiații să fie produse de niște nori atmosferici. Descoperirea a schimbat radical cercetarea fulgerelor.
Electronii și avalanșele relativiste
În această perioadă, fizicianul american Joseph Dwyer, fost cercetător în astrofizică, a început să studieze fulgerele din Florida. El cunoștea lucrările lui C.T.R. Wilson și ale fizicianului rus Aleksandr Gurevich despre electronii relativiști.
Ideea era următoarea: un electron obișnuit se ciocnește constant de moleculele aerului și își pierde rapid energia. Dar dacă un electron ajunge suficient de energetic, el poate traversa aerul aproape fără frânare, asemenea unui glonț printr-o furtună de zăpadă.
Într-un câmp electric, acest electron poate accelera continuu și poate produce o avalanșă de alți electroni.
Fenomenul poartă numele de avalanșă relativistă de electroni fugari.
Dwyer a propus apoi un mecanism spectaculos: electronii accelerați lovesc moleculele aerului și emit radiații gama, iar aceste raze gama pot produce perechi electron-pozitron. Pozitronul este antiparticula electronului.
Câmpul electric din nor poate împinge pozitronii înapoi spre zona inițială, unde ei generează noi avalanșe de electroni. Aceste avalanșe produc noi raze gama, care produc noi particule, și tot procesul se amplifică exploziv.
Practic, apare o reacție în lanț asemănătoare feedbackului dintre un microfon și un difuzor.
Acest mecanism ar putea explica două lucruri simultan:emisia de raze gama din furtuni și creșterea locală a câmpului electric până la declanșarea fulgerului.
Confirmări experimentale
În 2023, NASA a desfășurat proiectul ALOFT, în care un avion de mare altitudine a zburat direct deasupra unor furtuni tropicale extrem de violente din Golful Mexic și Caraibe. Avionul era echipat cu detectoare de radiații gama. Rezultatele au fost uimitoare.
Norii produceau permanent impulsuri slabe și puternice de radiații gama, chiar și atunci când nu exista un fulger vizibil. Unele emisii aveau un comportament intermitent, ca niște pâlpâiri rapide.
Dwyer simulase exact acest tip de comportament înaintea experimentului, iar observațiile reale s-au potrivit surprinzător de bine cu predicțiile sale.
Pentru mulți cercetători, aceasta a reprezentat cea mai puternică dovadă că avalanșele relativiste chiar au loc în furtuni reale.
O altă ipoteză: razele cosmice din spațiu
Deși teoria lui Dwyer a câștigat mult sprijin, în 2025 au apărut observații care sugerează o altă posibilitate. În deșertul din New Mexico, cercetătorii au analizat undele radio emise la începutul unor fulgere. Ei au reconstruit direcția inițială a curentului electric și au descoperit ceva ciudat: unele fulgere nu păreau să urmeze perfect direcția câmpului electric din nor. Acest lucru sugerează că procesul ar putea fi declanșat de altceva.
Unii cercetători cred că sursa ar putea fi razele cosmice. Razele cosmice sunt particule extrem de energetice provenite din explozii stelare, găuri negre și alte evenimente violente din univers. Când ele lovesc atmosfera Pământului, produc cascade de particule subatomice.
Aceste cascade ar putea furniza electronii inițiali necesari pentru pornirea avalanșelor electrice din nori. Dacă teoria se confirmă, atunci fiecare fulger ar avea o legătură directă cu evenimente cosmice produse poate cu milioane sau miliarde de ani în urmă.
Fulgerul nu mai pare o simplă scânteie
Imaginea clasică a fulgerului ca o simplă descărcare electrică devine tot mai incompletă. Astăzi, cercetătorii privesc furtunile ca pe niște laboratoare naturale de fizică extremă, în care interacționează electromagnetismul, fizica plasmei, mecanica cuantică, fizica particulelor și relativitatea.
Mai mult, observațiile moderne arată că ramurile fulgerelor cresc în moduri ciudate: unele avansează rapid, altele lent, unele dezvoltă structuri asemănătoare unor ace electrice.
Multe dintre aceste fenomene nu sunt explicate complet de nicio teorie actuală.
Un mister încă deschis
După aproape 300 de ani de cercetări, oamenii de știință încă nu pot spune cu certitudine ce inițiază un fulger.
Probabil nu există o singură explicație. În unele furtuni pot domina cristalele de gheață, în altele, avalanșele relativiste, iar în altele, razele cosmice. Cel mai probabil, mai multe mecanisme lucrează simultan. Iar acesta este poate cel mai fascinant aspect: unul dintre cele mai familiare fenomene naturale de pe Pământ rămâne încă un mister profund.
Sursa: QuantaMagazine
