Naučnici već stoljećima znaju da je munja ogromno električno pražnjenje, ali do nedavno nije bilo sasvim jasno šta ga u oblacima pokreće. U novoj studiji naučnici su otkrili „vanzemaljsko“ porijeklo tog fenomena i njegov mehanizam, čime su potvrdili jednu od dvije glavne postojeće teorije o nastanku munja.
Franklinov eksperiment
Električnu prirodu munje potvrdio je još 1752. godine Benjamin Franklin, američki pronalazač, naučnik, državnik i jedan od osnivača SAD-a. Njegov čuveni eksperiment često je bio pogrešno prikazivan kao da je u njegovog eksperimentalnog zmaja udario grom.
Međutim, Franklin je bio svjestan opasnosti igranja s munjama. Zajedno sa sinom, koji je bio sakriven u obližnjoj kolibi, uz pomoć električno slabo provodljivog svilenog užeta u oblačno nebo pustio je zmaja. Na jednom kraju tog zmaja bio je metar dug metalni nastavak, dok je s druge strane bio povezan konopcem od konoplje s tzv. Lajdenskom bocom, prvim kondenzatorom. To je zapravo bio sistem nalik na gromobran. Kada je stigla oluja, zmaj se naelektrisao, a konopljani konopac se na kiši smočio i postao provodljiv za struju. Kada je Franklin približio prst kondenzatoru, na njega je preskočila mala električna iskra, što je potvrdilo koncept.
Kasnija istraživanja pokazala su da trenje i sudari ledenih čestica u oblacima razdvajaju naboje i stvaraju električna polja – pozitivna i negativna.
S vremenom se također pokazalo da oblaci emituju rendgenske i gama zrake te da u njima nastaju relativističke lavine elektrona. Međutim, nije bilo jasno kako sve to prelazi u početni, prostorno vrlo ograničen izboj koji pokreće munju.
Problem manjka jačine polja
Poseban problem predstavljali su podaci zabilježeni avionima i meteorološkim balonima, koji su pokazali da je električno polje potrebno da bi elektroni krenuli u kaskadu prema Zemlji otprilike deset puta jače od onoga koje se u stvarnosti mjerilo u olujnim oblacima.
Drugim riječima, mjerenja su pokazivala da su električna polja unutar olujnih oblaka preslaba da bi sama od sebe izazvala proboj elektriciteta kroz zrak – koji je inače snažan električni izolator. To je otvorilo pitanje mehanizma koji pokreće munje.
Dvije hipoteze
Naučnici su razvili dvije glavne hipoteze o ovom procesu.
Prema prvoj, trenje između čestica leda i kapi vode odvaja negativno nabijene elektrone iz atoma, što uzrokuje ionizaciju atmosfere. Kada se nakupi dovoljno slobodnih elektrona, zrak postaje provodljiv, pa elektroni jure prema tlu kroz više račvastih kanala.
Prema drugoj hipotezi, početnu ionizaciju izazivaju kozmičke zrake — visokoenergetske čestice (uglavnom protoni i manje jezgre) iz svemira koje udaraju u gornje slojeve atmosfere. Te zrake dolaze sa Sunca, iz eksplozija supernova, iz brzo rotirajućih neutronskih zvijezda (pulsara) i drugih, još nepoznatih izvora. Kada kozmičke zrake udare u atmosferu, dolazi do nekontrolisanog oslobađanja elektrona iz atoma, što završava kaskadom koja udara u tlo.
Razne studije u međuvremenu su zabilježile rendgensko i gama zračenje iz oblaka te otkrile vezu s tzv. terestrijalnim gama bljeskovima (TGF), ali još je nedostajao kvantitativni model koji bi sve to povezao s prvim korakom u nastanku munje.
Rješenje iz nove studije
Nova studija, objavljena 28. jula 2025. u Journal of Geophysical Research, riješila je ovaj problem.
Tim pod vodstvom Victora Paska sa Penn State Universityja razvio je model koji objašnjava kako kozmičke zrake i električno polje u oblaku zajednički pokreću lančanu reakciju koja završava nastankom munje.
Simulacije modela potvrdile su drugu teoriju – onu o kozmičkom porijeklu pokretača munja.
Mehanizam izgleda ovako: visokoenergetske čestice iz svemira u atmosferi izbijaju elektrone iz atoma i stvaraju brze elektrone koji djeluju kao svojevrsno sjeme za razvoj munje. U oblacima tokom oluje dolazi do razdvajanja naboja – negativni elektroni se najčešće nakupljaju pri dnu oblaka, dok se pozitivni ioni nakupljaju pri vrhu. Ovo razdvajanje uzrokuju sudari ledenih kristala i kapljica vode koje se kreću različitim brzinama.
Formirano električno polje ubrzava elektrone izbijene udarima kozmičkih zraka, a oni potom sudarima s molekulama zraka (posebno azota i kiseonika) stvaraju rendgensko i gama zračenje. Ti visokoenergetski fotoni ponovo izbijaju elektrone iz atoma u zraku fotoelektričnim efektom. Tako nastaje povratna sprega: sve više elektrona se ubrzava, sve više fotona nastaje, lavina jača i konačno prelazi prag nakon kojeg se formiraju plazmeni kanali – putanje munje.
Zbog toga što se gustoća zraka smanjuje s visinom, prag za nastanak lavine postaje sve niži, jer elektroni mogu prelaziti veće udaljenosti između sudara i dobijati veću brzinu i energiju.
Tumačenje bljeskova gama i X zraka
Model je objasnio i zašto se bljeskovi gama zraka i X zraka javljaju prije udara munje.
Glavni autor studije, Viktor Pasko, profesor elektrotehnike na Fakultetu elektrotehnike i računarstva Univerziteta 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 generišu nastanak novih elektrona-sjemena koji izazivaju fotoelektrični efekat na način da se te lavine brzo povećavaju“, objasnio je Pasko.
„Osim što se formira u vrlo malim prostorima, ova lančana reakcija može se dogoditi s veoma promjenjivom snagom i često dovesti do mjerljivih nivoa X zraka, a uz to je praćena vrlo slabim optičkim i radijskim emisijama. To objašnjava zašto ovi bljeskovi gama zraka mogu nastati u područjima koja se čine optički i radijski tamna i tiha.“
Novi rad je u tumačenje uveo ključni element — fotoelektrični efekat u zraku — koji kvantitativno zatvara krug i objašnjava zašto TGF-ovi ponekad nastaju bez uočljivih optičkih i radijskih signala prije vidljive munje.