(La Vollete Science Center, Paryż, Foto Maria Karwasz) 

Co jest gorętsze? Słońce czy piorun? - pyta Sebastian, uczeń trzeciej klasy z Torunia.

Odpowiedź wcale nie jest łatwa, a przy tym bardzo zaskakująca. Temperatura Słońca w jego wnętrzu, tam gdzie z wodoru powstaje hel, wynosi, co prawda, 15 milionów stopni Celsjusza, ale 

na powierzchni temperatura Słońca wynosi "zaledwie" 5500°C. Skąd to wiemy? 

Temperaturę na powierzchni Słońca możemy zmierzyć gołym okiem. W dosłownym znaczeniu. Otóż nasze oko potrafi ocenić temperaturę gorącego kawałka żelaza. Im gorętsze żelazo, tym jego kolor zmienia się z wiśniowego (około 700°C) na czerwony (około 900°C) i pomarańczowy (1000°C). Wie o tym każdy kowal. 

Foto (C) Nure Aglioi, Italia, con ringraziamenti

Słońce, jest oślepiająco białe, bielsze niż włókno żarówki ( temperaturze jakieś 2000°C). Stąd wiemy, że jego powierczhnia ma termparaturę około 5500°C. Co więcej, ten posób pozwala ocenić temperaturę najodleglejszych gwiazd. Te największe, najgorętsze, niebieskie giganty (ale też najkrócej żyjace) mają temperaturę (na powierzchni) jakieś 40 tys.°C.

Antares, Foto Dominik Woś, astrofotografia.eu

Wewnątrz gwiazdy są znacznie gorętsze: aby dwa atomy wodoru (a właściwie ich jądra) zbliżyły się na odległość umożliwiającą zajście reakcji powstania helu*, muszą one być bardzo gorące. 

A jak gorący jest piorun? Wyglądało do niedawna, że jakiś milion stopni. Ale dziś (15/03/2019) wiemy, że znacznie więcej. Odpowiedź przyszla za badań bardzo dziwnych cząstek elementarnych, zwanych mionami.  

Miony to takie "cięższe" elektrony. Powstają, na przykład, kiedy promieniowanie kosmiczne (np. protony, czyli jądra wodoru, emitowane przez Słońce) wpadają do atmosfery Ziemi. Żyją bardzo krótko, milionowe części sekundy, ale część z nich dociera do ziemi. To właśnie z ich pomocą hinduscy naukowcy zmierzyli "temperaturę" pioruna. 

Foto: APS, G. Karwasz

Wiedzieliśmy, że pioruny to gigantyczne "iskry" w atmosferze, a napięcie elektryczne między chmurą a ziemią to miliony woltów. Ale nie doceniliśmy natury. 

Jak opisano w wiadomościach Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego (APS) 15 marca br. zmierzone napięcie elektryczne w piorunie to nawet miliardy voltów. Tak wielkie napięcie, "przetłumaczone" na temperaturę elektronów to tysiące miliardów stopni (a nawet więcej - temperatura i napięcie wyładowania to niezbyt dokładnie to samo**).

Cóż więc jest gorętsze? Piorun czy Słońce? Prawie, że prawie - piorun. Lepiej sie trzymać z daleka!

Focus: Muons Reveal Record-Breaking Thunderstorm Voltage

https://physics.aps.org/articles/v12/29

Measurement of the Electrical Properties of a Thundercloud Through Muon Imaging by the GRAPES-3 Experiment

B. Hariharan, A. Chandra, S. R. Dugad, S. K. Gupta, P. Jagadeesan, A. Jain, P. K. Mohanty, S. D. Morris, P. K. Nayak, P. S. Rakshe, K. Ramesh, B. S. Rao, L. V. Reddy, M. Zuberi, Y. Hayashi, S. Kawakami, S. Ahmad, H. Kojima, A. Oshima, S. Shibata, Y. Muraki, and K. Tanaka (GRAPES-3 Collaboration)

Phys. Rev. Lett. 122, 105101 (2019)

Published March 15, 2019

Czytaj więcej:

1. G. Karwasz, Lekkuchy i ciężkuchy, Droga do fizyki współczesnej - wystawa wirtualna, Uni Trento, 2003.

2. G. Karwasz, Słońce w (magnetycznym) koszyku, Głos Uczelni, UMK, 2017

3. G. Karwasz, Od kuli plazmowej do plazmy termojądrowej, Fizyka w Szkole, 2019

4. K. Fedus, Pozytony z pioruna, czyli naturalnie produkowana anty-materia, ZDF 2017

5. G. Karwasz, M. Więcek, Toruński poręcznik do fizyki. IV Fizyka współczesna i astrofizyka, ZDF UMK, 2012

* Dokładniej reakcje termojądrowe zachodzące w Słońcu są opisane w podanej literaturze (i odnośnikach internetowych)

** Aby porównać temperaturę plazmy i energię jej składników (drobin gazu i elektronów) należy wprowadzić pojęcie równowagi termodynamicznej w plazmie - kiedy cząsteczki gazu i elektrony mają zbliżone temperatury. Plazmą w równowadze jest np. łuk spawalniczy. Napięcie zasilające nie przekracza 50 V, a temperatura gazu to jakieś 5000°C (metale parują). Zamiana jednostek nie jest prosta: jeśli elektrony mają temperaturę 5000°C to ich energia wynosi 0,5 eV (używamy jednostek nie do końca legalnych, ale bardzo pożytecznych).

W plazmie kuli zabawowej lub w wyładowaniu jarzeniowym (np. żarówek energo-oszczędnych) różnica między energią elektronów (jakieś 2,5 eV, średnio) a temperaturą gazu, pokojową, czyli 0,025 eV - jest znaczna. 

W piorunie zmierzono napięcia 1,2 GeV (zresztą, zgodnie z regułą, że iskra o długości 1 cm wymaga napięcia 30 keV, takich napięć dla piorunów o długości 2 km należało się spodziewać). Co przeliczone na temperaturę oznaczałoby 1x10¹²K (zgodnie z zależnością 1 eV=11600K). Znacznie, znacznie więcej niż temperatura we wnętrzu Słońca, 1,5x10⁷K.

Jest kilka "ale", oprócz wspomnianego problemu równowagi temperatur w plazmie. Elektrony w piorunie nie są przyspieszane napięciem 1 GeV, podobnie jak w wyładowaniu jarzeniowym: przyłożone napięcie jest 220 V, ale energia jonizacji gazu (a tego dokonują elektrony) to nieco ponad 10 eV. Czyli, elektrony są przyspieszane "kawałkami". 

Z drugiej zaś strony, w piorunie generowane są anty-elektrony, czyli pozytony. A to wymaga, aby energia elektronów przewyższała 1 MeV (a najlepiej wynosiła jakieś 20 MeV - tak jak energia wiązki do naświetlania nowotworów w medycynie).

Widzisz, Sebastianie! Zadałeś bardzo mądre pytanie.

(C) G. Karwasz, 08/05/2019