ZNANSTVENICI već stoljećima znaju da je munja golemi električni izboj, no do nedavno nije bilo sasvim jasno što ga u oblacima pokreće. U novoj studiji znanstvenici su otkrili "vanzemaljsko" podrijetlo tog fenomena i njegov mehanizam, čime su potvrdili jednu od dviju glavnih postojećih teorija o nastanku munja.
Električnu prirodu munje potvrdio je još 1752. Benjamin Franklin, američki izumitelj, znanstvenik, državnik i jedan od utemeljitelja SAD-a. Njegov kultni eksperiment često je bio pogrešno prikazivan kao da je u njegova pokusnog zmaja udario grom.
No, Franklin je bio svjestan opasnosti igre s munjama. Stoga je, zajedno sa svojim sinom, koji je bio sakriven u obližnjoj kolibi, pomoću električki slabo provodljivog svilenog užeta u oblačno nebo pustio zmaja. Na jednom kraju tog zmaja bio je žičani nastavak dug jedan metar. S druge strane zmaj je konopcem od konoplje bio spojen s tzv. Leydenskom bocom, prvim kondenzatorom. Bio je to sustav nalik na gromobran. Kada je stigla oluja, zmaj se naelektrizirao, a konopljani konopac na kiši se smočio i postao provodljiv za struju. Kada je Franklin ispružio prst prema kondenzatoru, na njega je u jednom trenutku preskočila mala električna iskra, što je potvrdilo koncept.
Znanstvenici su s vremenom otkrili da trenje i sudari ledenih čestica u oblacima razdvajaju naboje te da tako u njima stvaraju električna polja – pozitivno i negativno.
S vremenom se također pokazalo da oblaci isijavaju rendgenske i gama-zrake te da se u njima pokreću relativističke lavine elektrona. No nije bilo jasno kako sve to prelazi u inicijalni, prostorno vrlo ograničen izboj koji pokreće munju.
Osobiti problem predstavljali su podaci zabilježeni avionima i meteorološkim balonima koji su pokazali da je električno polje potrebno da bi elektroni kaskadno krenuli prema Zemlji otprilike deset puta jače od onoga koje se uistinu mjerilo u olujnim oblacima.
Drugim riječima, mjerenja su pokazivala da su električna polja unutar olujnih oblaka preslaba da bi sama od sebe uzrokovala proboj elektriciteta kroz zrak, koji je snažan električni izolator, što je otvorilo pitanje mehanizma pokretanja munja.
Znanstvenici su predstavili dvije glavne hipoteze, odnosno teorije koje su tumačile ovaj mehanizam.
Prema prvoj, trenje među česticama leda i kapima vode odvaja negativno nabijene elektrone iz atoma te u olujnim oblacima dolazi do ionizacije u atmosferi. Kada se nakupi dovoljno oslobođenih elektrona, zrak postaje električki provodljiv pa elektroni pojure prema tlu kroz više račvastih kanala.
Prema drugoj, početnu ionizaciju uzrokuju kozmičke zrake — visokoenergetske čestice (uglavnom protoni i manje jezgre) iz svemira koje udaraju u gornje slojeve atmosfere. Te zrake dolaze sa Sunca, iz zvjezdanih eksplozija supernova, iz brzo rotirajućih neutronskih zvijezda koje se zovu pulsari te iz drugih, još nepoznatih izvora. Kada kozmičke zrake udare u atmosferu, nastaje nekontrolirani bijeg elektrona iz atoma koji završava kaskadom koja udara u tlo.
Razne studije u međuvremenu su zabilježile rendgensko i gama-zračenje iz oblaka te otkrile izravne veze s tzv. terestrijalnim gama-bljeskovima (TGF), no još uvijek je nedostajao kvantitativni model koji bi sve to povezao s prvim korakom u nastanku munje.
Nova studija objavljena 28. srpnja 2025. u Journal of Geophysical Research nedavno je riješila taj problem.
Tim pod vodstvom Victora Paska s Penn State Universityja razvio je model koji je objasnio kako kozmičke zrake i električno polje u oblaku zajednički pokreću lančanu reakciju koja završava munjom.
Simulacije modela podržale su drugu teoriju o kozmičkom podrijetlu pokretača munja.
Mehanizam je sljedeći: visokoenergetske čestice iz svemira u atmosferi izbijaju elektrone iz atoma i stvaraju brze elektrone koji djeluju kao svojevrsno sjeme za daljnji razvoj munje. U oblacima tijekom oluje dolazi do razdvajanja električnog naboja, pri čemu se negativno nabijeni elektroni najčešće nakupljaju pri dnu oblaka, dok se pozitivni ioni (atomi iz kojih su izbijeni elektroni) istovremeno nakupljaju pri vrhu. Ovo razdvajanje najčešće uzrokuju sudari ledenih kristala i kapljica vode koje se u oblacima kreću različitim brzinama.
Formirano električno polje ubrzava spomenute elektrone izbijene udarima kozmičkih zraka, a oni pak pri sudarima s molekulama zraka, osobito dušika i kisika, stvaraju rendgensko i gama zračenje. Ti visokoenergetski fotoni fotoelektričnim učinkom opet izbijaju nove elektrone iz atoma u zraku. Tako nastaje povratna sprega – nastaje sve više elektrona koji se ubrzavaju i uzrokuju nastanak sve više visokoenergetskih fotona, a oni sve više elektrona, lavina sve više jača te konačno prelazi prag nakon kojeg mogu nastati kanali plazme i munje. Kanali se formiraju kada gustoća slobodnih elektrona postane dovoljno velika da zrak lokalno postane električki vodljiv i pretvori se u plazmu – ionizirani zrak – čime se formira put za pražnjenje, odnosno putanja same munje.
Zbog pada gustoće zraka po vertikali, prag za nastanak lavine smanjuje se s visinom jer je zrak sve rjeđi, pa elektroni mogu prijeći veće udaljenosti između sudara i tako dobiti veću brzinu i energiju od električnog polja.
Model je također objasnio zašto se bljeskovi gama-zraka – fotona visoke energije – i X-zraka javljaju prije udara munja.
Glavni autor nove studije Viktor Pasko, profesor elektrotehnike na Školi za elektrotehniku i računarstvo Sveučilišta Penn State, rekao je da njihovi nalazi pružaju prvo precizno, kvantitativno objašnjenje kako munja nastaje u prirodi.
"Oni povezuju sve elemente – rendgenske zrake, električna polja i fiziku elektronskih lavina... U našem modelu visokoenergetske rendgenske zrake stvaraju relativističke lavine elektrona i generiraju nastanak novih elektrona-sjemena koji uzrokuju fotoelektrični efekt na takav način da se te lavine brzo povećavaju", rekao je Pasko.
"Osim što se stvara u vrlo malim prostorima, ova lančana reakcija može se dogoditi s vrlo promjenjivom snagom i često može dovesti do detektabilnih razina X-zraka, a uz to je popraćena vrlo slabim optičkim i radijskim emisijama. To objašnjava zašto ovi bljeskovi gama-zraka mogu nastati iz područja koja se čine optički i radijski tamnima i tihima."
Novi rad uveo je u tumačenje jedan ključni element — fotoelektrični učinak u zraku — koji kvantitativno zatvara krug i objašnjava kako TGF-ovi ponekad nastaju bez uočljivih optičkih i radijskih signala prije vidljive munje.
Atmosferski fizičar Branko Grisogono s PMF-a u Zagrebu smatra da u stvarnosti obje teorije dobro objašnjavaju prirodu munje.
"Iako je druga teorija u prirodi jednostavnija i vjerojatno češće objašnjava munje, prva teorija također je održiva", kaže Grisogono.
"Naime, po prvoj teoriji je i Nikola Tesla uspijevao stvoriti munje u laboratoriju kad god je to htio. Također, u drugim izoliranim laboratorijima, moguće je stvoriti munje u hladnim, brzim, kao gel naelektriziranim strujanjima. Zaključimo, nerijetka dualnost u različitim omjerima vjerojatnosti priroda je stvari sama po sebi", pojasnio je naš ugledni znanstvenik.
***
Knjigu Indexovog znanstvenog novinara Nenada Jarića Dauenhauera, koja tematizira najkontroverznije i najzanimljivije teme u znanosti poput klimatskih promjena, pseudoznanosti, pandemije, GMO-a i nuklearki, možete nabaviti ovdje.
Knjiga se sastoji od tekstova našeg novinara objavljenih kroz više godina rada na Indexu.
Objavljuje Index Vijesti u Subota, 5. studenoga 2022.