Ketika Benjamin Franklin mengikat kunci ke layang-layang dan menerbangkannya ke badai petir, dia sebentar menjadi alat yang terhubung ke generator listrik terkuat di Bumi.
Franklin tahu, seperti yang dilakukan kebanyakan orang, bahwa badai petir sangat kuat. Para peneliti telah mencoba memperkirakan dengan tepat bagaimana kuat selama lebih dari satu abad, tetapi selalu pendek - bahkan sensor udara yang paling canggih tidak memadai karena awan awan terlalu besar dan tidak dapat diprediksi untuk diukur.
Sekarang, dalam sebuah makalah yang diterbitkan 15 Maret dalam jurnal Physical Review Letters, para peneliti di Ooty, India, telah menghasilkan jawaban baru yang mengejutkan - berkat sedikit bantuan dari beberapa sinar kosmik.
Menggunakan berbagai sensor yang dirancang untuk mengukur medan listrik dan intensitas muon - partikel berat yang terus-menerus turun dari atmosfer bagian atas Bumi, membusuk saat mereka melewati materi - tim mengukur tegangan dari petir besar yang berguling Ooty selama 18 menit. pada 1 Desember 2014. Para peneliti menemukan bahwa, rata-rata, awan itu diisi dengan sekitar 1,3 gigavolt listrik, yaitu 1,3 kali 10 ^ 9 volt - kira-kira 10 juta kali lebih banyak tegangan daripada yang dipasok oleh outlet listrik khas di Amerika Utara.
"Ini menjelaskan mengapa awan hujan sangat destruktif," kata rekan penulis studi Sunil Gupta, seorang peneliti sinar kosmik di Institut Tata Kelola Fundamental Riset India, kepada Live Science. "Jika kamu membuang energi sebesar ini melalui apa pun, itu akan menyebabkan kehancuran yang parah."
Hujan muon
Gupta dan rekan-rekannya terutama mempelajari muon - partikel mirip elektron yang dibuat ketika sinar kosmik menabrak berbagai atom di atmosfer Bumi. Partikel-partikel ini memiliki sekitar setengah putaran elektron tetapi 200 kali beratnya, dan sangat baik dalam menembus materi. Muon yang turun dari atmosfer dapat melakukan perjalanan jauh ke laut atau mil di bawah tanah hanya dalam sepersekian detik, asalkan memiliki energi yang cukup.
Muon kehilangan energi ketika ada sesuatu yang menghalangi mereka - katakanlah, piramida, misalnya. Pada awal 2018, para ilmuwan menemukan dua kamar yang sebelumnya tidak dikenal di dalam Piramida Agung Giza dengan mendirikan detektor muon di sekitar struktur dan mengukur di mana partikel kehilangan (dan tidak kehilangan) energi. Muon yang melewati dinding batu piramida kehilangan lebih banyak energi daripada muon yang melewati kamar besar yang kosong. Hasilnya memungkinkan para peneliti untuk membuat peta baru interior piramida tanpa menginjakkan kaki di dalamnya.
Gupta dan rekan-rekannya menggunakan metode serupa untuk memetakan energi di dalam petir Ooty. Alih-alih bersaing dengan batu, bagaimanapun, muon yang jatuh melalui awan menghadapi medan listrik yang bergejolak.
"Badai petir memiliki lapisan bermuatan positif di atas dan lapisan bermuatan negatif di bagian bawah," kata Gupta. "Jika muon bermuatan positif menabrak awan saat hujan turun dari atmosfer atas, itu akan ditolak dan kehilangan energi."
Menggunakan array sensor pendeteksi muon dan empat monitor medan listrik yang tersebar beberapa mil, para peneliti mengukur penurunan rata-rata energi antara muon yang melewati petir dan yang tidak melewatinya. Dari kehilangan energi ini, tim dapat menghitung berapa banyak potensi listrik yang dilewati partikel-partikel di awan guntur.
Itu sangat besar.
"Para ilmuwan memperkirakan bahwa awan petir dapat memiliki potensi gigavolt pada 1920-an," kata Gupta, "Tapi itu tidak pernah terbukti - sampai sekarang."
Memetakan petir
Begitu para peneliti mengetahui potensi listrik awan, mereka ingin melangkah lebih jauh dan mengukur dengan tepat seberapa besar daya yang dibawa oleh petir saat meraung di atas Ooty.
Dengan menggunakan data dari monitor medan listrik mereka yang tersebar luas, tim mengisi beberapa detail penting tentang awan - yang bergerak dengan kecepatan 40 mph (60 km / jam) pada ketinggian 7 mil (11,4 kilometer) di atas permukaan laut, memiliki luas diperkirakan 146 mil persegi (380 km persegi, luas sekitar enam kali ukuran Manhattan), dan mencapai potensi listrik maksimum hanya 6 menit setelah muncul.
Berbekal pengetahuan ini, para peneliti akhirnya dapat menghitung bahwa badai membawa sekitar 2 gigawatt daya, membuat awan tunggal ini lebih kuat daripada pembangkit listrik tenaga nuklir paling kuat di dunia, kata Gupta.
"Jumlah energi yang disimpan di sini cukup untuk memasok semua kebutuhan daya kota seperti New York City selama 26 menit," kata Gupta. "Jika Anda bisa memanfaatkannya. "
Dengan teknologi saat ini, itu adalah prospek yang tidak mungkin, Gupta mencatat: Jumlah energi yang dihamburkan oleh badai sedemikian tinggi sehingga mungkin akan melelehkan konduktor.
Namun, potensi badai yang sangat kuat dapat membantu menyelesaikan misteri kosmik yang telah ditanyakan oleh para ilmuwan seperti Gupta dan rekan-rekannya selama beberapa dekade: Mengapa satelit terkadang mendeteksi sinar gamma berenergi tinggi yang meledak dari atmosfer Bumi, padahal seharusnya hujan turun dari ruang angkasa ?
Menurut Gupta, jika badai petir memang dapat menciptakan potensi listrik yang lebih besar dari satu gigavolt, mereka juga dapat mempercepat elektron dengan cukup cepat untuk memecah atom-atom lain di atmosfer, menghasilkan kilatan sinar gamma.
Penjelasan ini membutuhkan lebih banyak penelitian untuk memverifikasi akurasinya, kata Gupta. Sementara itu, pastikan untuk mengagumi petir berikutnya yang Anda lihat, karena itu adalah kekuatan alam yang tak terduga - dan, tolong, pikirkan dua kali sebelum menerbangkan layang-layang.
