När Benjamin Franklin band en nyckel till en drake och flög den in i ett blixtstorm, blev han kort en apparat som är ansluten till den starkaste kraftgeneratorn på jorden.
Franklin visste, som de flesta människor, att åskväder är oerhört kraftfulla. Forskare har försökt uppskatta exakt på vilket sätt kraftfulla i mer än ett sekel, men har alltid kommit kort - till och med de mest sofistikerade luftburna sensorerna är otillräckliga eftersom åskmoln bara är för stora och oförutsägbara att mäta.
I ett papper som publicerades 15 mars i tidskriften Physical Review Letters har forskare i Ooty, Indien, kommit med ett chockerande nytt svar - tack vare lite hjälp från några kosmiska strålar.
Med hjälp av en mängd sensorer utformade för att mäta elektriska fält och intensiteten hos muoner - tunga partiklar som ständigt regnar ner från jordens övre atmosfär, förfallna när de passerar genom materien - mätte teamet spänningen i ett stort åskväder som rullade över Ooty i 18 minuter den 1 december 2014. Forskarna fann att molnet i genomsnitt laddades med cirka 1,3 gigavolt el, vilket är 1,3 gånger 10 ^ 9 volt - ungefär 10 miljoner gånger mer spänning än det som levereras av ett typiskt eluttag i Nordamerika.
"Detta förklarar varför åskväder är så destruktiva," berättade co-författaren Sunil Gupta, en kosmisk stråleforskare vid Indiens Tata Institute of Fundamental Research, berättade för Live Science. "Om du sprider denna enorma mängd energi genom någonting kommer det att orsaka allvarlig förödelse."
Det regnar muoner
Gupta och hans kollegor studerar främst muoner - elektronliknande partiklar som skapas när kosmiska strålar basar sig i olika atomer i jordens atmosfär. Dessa partiklar har ungefär hälften av elektronsnurret men 200 gånger vikten och är mycket bra på penetrerande material. En muon som regnar ner från atmosfären kan resa djupt i havet eller miles under jord på bara en bråkdel av en sekund, så länge den har tillräckligt med energi.
Muons förlorar sin energi när något kommer i vägen - till exempel en pyramid. I början av 2018 upptäckte forskare två tidigare okända kamrar i den stora pyramiden i Giza genom att sätta upp muon-detektorer runt strukturen och mäta var partiklarna tappade (och inte tappade) energi. Muoner som passerade genom pyramidens stenväggar förlorade mer energi än muoner som passerade genom de stora tomma kamrarna. Resultaten gjorde det möjligt för forskarna att skapa en ny karta över pyramidens inre utan att sätta foten inuti den.
Gupta och hans kollegor använde en liknande metod för att kartlägga energin i Ooty åskväder. I stället för att kämpa med sten stod dock muoner som föll genom molnet inför ett turbulent elektriskt fält.
"Åskväder har ett positivt laddat skikt på toppen och ett negativt laddat skikt på botten," sade Gupta. "Om en positivt laddad muon träffar molnet när det regnar ner från den övre atmosfären kommer den att avvisas och förlora energi."
Med hjälp av en mängd muon-detekterande sensorer och fyra elektriska fältmonitorer spridda över flera miles, mätte forskarna det genomsnittliga minskningen av energi mellan muoner som passerade genom åsklöjan och de som inte passerade genom den. Från denna energiförlust kunde teamet beräkna hur mycket elektrisk potential partiklarna hade passerat i åskmoln.
Det var massivt.
"Forskare uppskattade att åskmoln kunde ha gigavoltpotential på 1920-talet," sa Gupta, "Men det har aldrig bevisats - förrän nu."
Kartlägga åskan
När forskarna visste molnets elektriska potential, ville de gå ett steg längre och mäta exakt hur mycket kraft åskväderna bar när det brusade över Ooty.
Med hjälp av uppgifterna från deras spridda elektriska fältmonitorer fyllde teamet in några viktiga detaljer om molnet - det vill säga resa på cirka 40 km / h på en höjd av 11 miles (11,4 kilometer) över havet, hade en uppskattad yta på 146 kvadrat miles (380 kvadratkilometer, ett område ungefär sex gånger storleken på Manhattan) och nådde sin maximala elektriska potential bara 6 minuter efter att ha dykt upp.
Beväpnad med denna kunskap kunde forskarna äntligen beräkna att åskväderna bar omkring 2 gigawatt kraft, vilket gjorde detta enda moln mer kraftfullt än de mest kraftfulla kärnkraftverk i världen, sade Gupta.
"Den mängd energi som lagras här är tillräckligt för att tillgodose alla krafter i en stad som New York City i 26 minuter," sade Gupta. "Om du kan utnyttja det. "
Med den nuvarande tekniken, det är en osannolik möjlighet, konstaterade Gupta: Mängden energi som sprids av en sådan storm är så stor att den antagligen skulle smälta någon ledare.
Fortfarande kan åskvädernas våldsamt kraftiga potential hjälpa till att lösa ett kosmiskt mysterium som forskare som Gupta och hans kollegor har frågat i årtionden: Varför upptäcker satelliter ibland högenergiska gammastrålar som spränger ur jordens atmosfär, när de borde regna ner från rymden ?
Enligt Gupta, om åskväder verkligen kan skapa en elektrisk potential större än en gigavolt, kan de också påskynda elektroner tillräckligt snabbt för att bryta isär andra atomer i atmosfären och producera gammastrålar.
Denna förklaring kräver mer forskning för att verifiera dess noggrannhet, sa Gupta. Under tiden ska du undra dig över nästa åskväder du ser, för det är en ofattligt mäktig kraft av naturen - och snälla, tänk två gånger innan du flyger en drake.
