Trovões e relâmpagos geram admiração e medo em humanos desde tempos imemoriais. Nas culturas modernas e antigas, esses fenômenos naturais são frequentemente considerados governados por alguns dos deuses mais importantes e poderosos - Indra no Hinduísmo, Zeus na mitologia grega e Thor na mitologia nórdica.

Sabemos que tempestades podem desencadear uma série de efeitos notáveis, mais comumente cortes de energia, tempestades de granizo e animais de estimação escondidos sob as camas. Mas descobrimos que ainda temos muito que aprender sobre eles. Um novo estudo, publicado na Nature, já mostrou que as tempestades também podem produzir radioatividade, desencadeando reações nucleares na atmosfera.

Isso pode soar como o enredo de um desastre de ficção científica de grande sucesso. Mas na realidade, não é nada para se preocupar. Desde o início do século 20, os cientistas estão cientes da radiação ionizante - partículas e ondas eletromagnéticas que podem danificar as células - caindo na atmosfera terrestre vinda do espaço. Esta radiação pode reagir com átomos ou moléculas, carregando energia suficiente para liberar elétrons de átomos ou moléculas. Portanto, deixa para trás um "íon" com carga elétrica positiva.

Há pouco mais de um século, o físico austríaco Victor Hess fez medições de ionização em um balão de ar quente cinco quilômetros acima da superfície da Terra. Ele observou que a taxa de ionização aumentou rapidamente com a altura, o oposto do que se poderia esperar se a fonte da radiação ionizante viesse do solo. Hess, portanto, concluiu que deve haver uma fonte de radiação com alto poder de penetração localizada acima da atmosfera. Ele foi nomeado co-recebedor do Prêmio Nobel de Física em 1936 por sua descoberta, mais tarde apelidado de "raios cósmicos".

Agora sabemos que os raios cósmicos são feitos de partículas carregadas:principalmente, elétrons, núcleos atômicos e prótons - os últimos constituem o núcleo junto com os nêutrons. Alguns se originam do sol, enquanto outros vêm de explosões distantes de estrelas mortas em nossa galáxia, conhecido como supernovas. Quando esses raios cósmicos entram na atmosfera da Terra, eles interagem com átomos e moléculas para produzir uma chuva de partículas subatômicas. Entre estes estão nêutrons, que não têm carga elétrica.

São esses nêutrons que tornam possível a datação por radiocarbono. A maioria dos átomos de carbono tem seis prótons e seis ou sete nêutrons em seus núcleos (chamados de "isótopos 12C e 13C", respectivamente). Contudo, nêutrons produzidos por raios cósmicos podem reagir com nitrogênio atmosférico para criar 14C, um isótopo de carbono pesado e instável que, hora extra, irá "decair radioativamente" (se dividir enquanto emite radiação) de volta ao nitrogênio.

Na natureza, 14C é incrivelmente raro e compõe apenas cerca de um em um trilhão de átomos de carbono. Mas, além de seu peso e propriedades radioativas, 14C é basicamente idêntico aos isótopos de carbono mais comuns. Oxida para formar dióxido de carbono e entra na cadeia alimentar à medida que as plantas absorvem o CO radioativo ₂ .

A proporção de 12C a 14C em um determinado organismo começará a mudar quando esse organismo morrer e parar de ingerir carbono. O 14C já em seu sistema então começa a decair. É um processo lento, pois o 14C tem meia-vida radioativa de 5, 730 anos, mas é previsível, o que significa que as amostras orgânicas podem ser datadas medindo a proporção de 12C a 14C ainda restante.

Desta maneira, raios cósmicos são responsáveis ​​por reações nucleares na atmosfera da Terra. Até hoje, pensamos que era o único canal natural que produzia elementos radioativos como o 14C. A palavra "nuclear", tão sinistro quando associado a "bomba" ou "desperdício", simplesmente se refere às mudanças que ocorrem em um núcleo atômico.

Perseguindo nêutrons

Quase 100 anos atrás, o renomado físico e meteorologista escocês Charles Wilson propôs que as tempestades também poderiam desencadear reações nucleares na atmosfera. Wilson, que realizou trabalho de campo no observatório meteorológico isolado no cume do Ben Nevis, Montanha mais alta da Grã-Bretanha, ficou fascinado pela formação de nuvens de tempestade e eletricidade atmosférica. Contudo, sua sugestão antecedeu a descoberta do nêutron - um dos produtos reveladores das reações nucleares - por sete anos, portanto, sua proposta não pôde ser testada.

Desde a época de Wilson, tem havido muitos estudos que afirmam ter detectado nêutrons produzidos por tempestades, mas nenhum provou ser definitivo. Outros procuraram por radiação eletromagnética energética (raios X e raios gama) que acompanha a avalanche de elétrons de alta energia que sabemos ser produzida por relâmpagos em nuvens de tempestade. Os cálculos mostram que esses elétrons e raios gama podem eliminar nêutrons do nitrogênio e do oxigênio da atmosfera. Mas embora os raios X e gama tenham sido observados, nunca houve uma observação direta das conseqüentes reações nucleares ocorrendo em uma tempestade.

O novo estudo usa uma abordagem diferente. Em vez de procurar os nêutrons indescritíveis, os autores contam com outros subprodutos das reações nucleares. Se elétrons e raios gama causam isótopos instáveis ​​de nitrogênio e oxigênio a serem formados por reações nucleares após um acidente vascular cerebral, estes devem decair após alguns minutos para formar isótopos estáveis ​​de carbono e nitrogênio.

Crucialmente, este decaimento produz uma partícula conhecida como "pósitron", a versão "antimatéria" do elétron. Todas as partículas têm versões de antimatéria delas mesmas - elas têm a mesma massa, mas a carga oposta. Quando a antimatéria e a matéria entram em contato, eles aniquilam em um lampejo de energia. Essa é a energia que os pesquisadores procuraram. Usando detectores de radiação olhando para o Mar do Japão, eles observaram as impressões digitais inequívocas de raios gama da aniquilação pósitron-elétron ocorrendo imediatamente após a queda de raios em nuvens baixas de tempestade de inverno. Esta é uma evidência clara de reações nucleares ocorrendo em nuvens de tempestade.

Esses resultados são importantes, pois demonstram uma fonte até então desconhecida de isótopos na atmosfera da Terra. Estes incluem carbono-13, carbono-14 e nitrogênio-15, mas estudos futuros também podem revelar outros, como isótopos de hidrogênio, hélio e berílio.

As descobertas também têm implicações para astrônomos e cientistas planetários. Outros planetas do nosso sistema solar têm tempestades em suas atmosferas que podem contribuir para a composição de suas atmosferas. Um desses planetas é Júpiter, que é apropriadamente também o deus do trovão na mitologia romana antiga.

Este artigo foi publicado originalmente em The Conversation. Leia o artigo original.