Tak Disangka, Badai Petir Ternyata Hasilkan Radiasi Sinar Gamma

JAKARTA - Sebuah penelitian mengungkapkan, 9 dari 10 badai petir yang diteliti menghasilkan sinar gamma .

Pada 1990-an, ilmuwan NASA mendapatkan kejutan tak terduga. Saat memindai alam semesta untuk mencari ledakan radiasi gamma energi tinggi dari supernova dan lubang hitam, mereka mendapati temuan aneh. Ternyata, ledakan radiasi gamma berasal dari badai petir di Bumi. Namun, sejauh mana fenomena ini masih menjadi misteri hingga sekarang.

Dalam dua makalah baru yang diterbitkan di Nature, para peneliti mengungkapkan radiasi gamma dalam badai petir jauh lebih umum daripada yang diperkirakan sebelumnya. Menggunakan pesawat mata-mata U2 yang dimodifikasi untuk mengamati badai ini lebih dekat, para ilmuwan menemukan badai petir secara terus-menerus menghasilkan radiasi gamma dalam berbagai bentuk.

“Ada jauh lebih banyak yang terjadi dalam badai petir daripada yang pernah kita bayangkan,” kata Steve Cummer,profesor teknik di Universitas Duke dan salah satu penulis kedua makalah tersebut. “Ternyata, hampir semua badai besar menghasilkan sinar gamma sepanjang hari dalam berbagai bentuk.”



Sinar gamma, bentuk cahaya dengan energi tertinggi, biasanya terkait dengan peristiwa kosmik yang hebat. Namun badai petir juga memproduksinya, meskipun dalam bentuk yang berbeda.

Selama tiga dekade terakhir, para ilmuwan telah mengetahui tentang kilatan singkat namun intens dari radiasi gamma, yang dikenal sebagai kilatan sinar gamma terestrial (terrestrial gamma-ray flashes atau TGF). Mereka juga memahami bahwa badai petir menghasilkan sinar gamma dengan tingkat yang lebih rendah dan redup. Mekanisme yang mendorong kilatan ini telah lama dikaitkan dengan fenomena relativistic runaway electron avalanche (RREA).

Fenomena ini terjadi ketika satu elektron energi tinggi dipercepat oleh medan listrik badai petir, bertabrakan dengan molekul udara untuk menciptakan lebih banyak elektron dan sinar gamma dalam efek berantai.

Selama badai, arus udara membawa tetesan air, hujan es, dan es ke awan, menciptakan muatan listrik. Seperti menggosok balon pada sweater, campuran partikel ini membangun energi listrik. Hasilnya berupa medan listrik besar yang mampu mempercepat partikel — seperti elektron — dengan kecepatan luar biasa. Ketika elektron berenergi tinggi ini bertabrakan dengan molekul udara, mereka melepaskan sinar gamma dan, dalam beberapa kasus, bahkan antimateri.

Namun, hingga saat ini, sinar gamma yang berasal dari badai petir tampaknya sporadis, mengingat keterbatasan teknologi satelit sebelumnya. Satelit NASA — yang dirancang untuk memantau peristiwa kosmik, seperti ledakan sinar gamma kosmik dari bintang yang meledak — harus berada di tempat dan waktu yang tepat untuk mendeteksi radiasi gamma dari Bumi. Misi pesawat yang mencoba terbang dekat dengan badai petir sering kali gagal karena bahaya mendekati badai aktif membatasi cakupannya.



Tim penelitian yang dipimpin oleh Nikolai Østgaard, profesor fisika ruang angkasa di Universitas Bergen di Norwegia, menggunakan NASA ER-2 High-Altitude Airborne Science Aircraft — pesawat mata-mata U2 yang dimodifikasi. Terbang pada ketinggian 12,4 mil di atas Bumi, yang tiga mil lebih tinggi dari sebagian besar badai petir, pesawat tersebut memberikan tim sudut pandang yang ideal.

Selama sebulan, ER-2 terbang di atas badai di daerah tropis selatan Florida. Pesawat ini merekam radiasi gamma selama 9 dari 10 penerbangan. Apa yang tampak seperti peristiwa langka ternyata terjadi di sebagian besar badai petir.

“ER-2 adalah platform yang sempurna untuk pengukuran ini. Ia dapat terbang pada ketinggian yang sangat tinggi (dua kali lebih tinggi dari pesawat biasa) sehingga dapat berada hanya beberapa mil di atas badai petir di lingkungan yang jauh lebih aman, tetapi tetap sangat dekat dengan wilayah sumber untuk menangkap TGF yang lebih lemah. Dan pesawat ini dapat terbang bolak-balik di atas badai yang sama untuk waktu yang lama sehingga kami akhirnya bisa mendapatkan gambaran yang baik tentang seberapa banyak produksi sinar gamma yang bisa terjadi dalam badai aktif,” kata Cummer kepada ZME Science dilansir Kamis (3/10/2024).

Ada tantangan logistik dan teknis yang penting. Misalnya, salah satu kesulitan utamanya memilih badai mana yang harus ditargetkan. Karena butuh waktu berjam-jam bagi pesawat NASA ER-2 untuk mencapai banyak badai ini, selalu ada risiko badai tersebut akan menghilang sebelum mereka dapat mengumpulkan data.

Kampanye penelitian ini hanya memiliki sekitar 60 jam terbang yang tersedia, sehingga tim harus sangat selektif untuk menghindari membuang waktu berharga pada badai yang tidak akan menunjukkan sebuah hasil. "Para perencana melakukan pekerjaan luar biasa, mengingat betapa suksesnya pengukuran ini," kata Cummer.

Østgaard menjelaskan melalui email kepada ZME Science bagaimana mereka berhasil mengatasi tantangan ini dengan menggunakan data waktu nyata dari ER-2. Pesawat ini dilengkapi dengan sistem yang mengirimkan data resolusi rendah kembali ke tim di darat, memungkinkan mereka untuk memantau kapan pesawat memasuki awan yang memancarkan sinar gamma.

“Kami akan tahu kapan ER-2 memasuki awan yang memancarkan sinar gamma dan menginstruksikan pilot untuk kembali ke awan selama awan tersebut masih memancarkan sinar gamma,” kata Østgaard.