Schwellenwert für Röntgenblitze durch Blitze wird durch Simulationen identifiziert

Neue Einblicke in die Entstehung von Röntgenblitzen bei Blitzeinschlägen haben Forscher in den USA, Frankreich und der Tschechischen Republik gewonnen. Mithilfe von Computersimulationen führte ein Team durch Viktor Pasko an der Penn State University zeigte, wie Lawinen von Elektronen, die für die Blitze verantwortlich sind, bei einer minimalen Schwelle der elektrischen Felder ausgelöst werden, die von der Vorstufe des Blitzes erzeugt werden. Diese Entdeckung könnte zur Entwicklung neuer Techniken zur Erzeugung von Röntgenstrahlen im Labor führen.

Terrestrische Gammastrahlenblitze (TGFs) beinhalten die Emission hochenergetischer Photonen aus Quellen innerhalb der Erdatmosphäre. Während der Begriff Gammastrahlung verwendet wird, werden die meisten Photonen durch die Beschleunigung von Elektronen erzeugt und sind daher Röntgenstrahlen.

Diese Röntgenstrahlen werden im Megaelektronenvolt-Energiebereich emittiert und ihre Entstehung ist eng mit Blitzen verbunden. Obwohl TGFs selten und unglaublich kurz sind, werden sie jetzt regelmäßig von Instrumenten beobachtet, die Gammastrahlen aus dem Weltraum nachweisen.

Weltraumteleskope

„TGFs wurden 1994 vom Compton Gamma Ray Observatory der NASA entdeckt“, erklärt Pasko. „Seitdem haben viele andere orbitale Observatorien diese hochenergetischen Ereignisse erfasst, einschließlich des Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskops der NASA.“

Nach ihrer ersten Entdeckung wurden die Ursprünge von TGFs mit Elektronen in Verbindung gebracht, die durch die intensiven elektrischen Felder von „Blitzführern“ aus Luftmolekülen freigesetzt werden. Dies sind Kanäle aus ionisierter Luft, die sich zwischen einer negativ geladenen Wolkenbasis und dem positiv geladenen Boden bilden. Wie der Name schon sagt, folgen auf die Bildung von Blitzleitern kurzzeitig Blitzentladungen.

Sobald diese Elektronen in einem Blitzleiter freigesetzt werden, werden sie durch das elektrische Feld beschleunigt und kollidieren mit Molekülen, um weitere Elektronen freizusetzen. Dieser Prozess setzt sich fort und erzeugt sehr schnell immer mehr Elektronen, was Pasko als „Elektronenlawine“ bezeichnet.

Ionisierende Röntgenstrahlen

Wenn die Elektronen mit Molekülen kollidieren, wird ein Teil der von den Elektronen verlorenen Energie in Form von Röntgenstrahlen abgestrahlt. Diese Röntgenstrahlen breiten sich in alle Richtungen aus – auch zurück auf dem Weg der Elektronenlawine. Infolgedessen können die Röntgenstrahlen mehr Moleküle stromaufwärts von der Lawine ionisieren, wodurch mehr Elektronen freigesetzt werden und die TGFs noch heller werden.

Nachdem dieses erste Modell in den frühen 2000er Jahren konzipiert worden war, versuchten Forscher, das Verhalten in Computersimulationen nachzubilden. Bisher ist es diesen Simulationen jedoch nicht gelungen, die Größen von TGFs, die bei echten Blitzeinschlägen beobachtet werden, genau nachzuahmen.

Pasko und Kollegen glauben, dass dieser Mangel an Erfolg mit der relativ großen Größe dieser Simulationen zusammenhängt, die normalerweise Regionen mit einem Durchmesser von mehreren Kilometern modellieren. Diese neueste Arbeit deutet jedoch darauf hin, dass sich TGFs typischerweise in sehr kompakten Regionen (mit einer Größe von 10–100 m) bilden, die die Spitzen von Blitzleitern umgeben. Die Gründe für diese Kompaktheit blieben bisher weitgehend ein Rätsel.

Mindestschwelle

Die Forscher gingen in ihrer Studie davon aus, dass sich TGFs nur dann bilden, wenn die Stärke des elektrischen Feldes des Blitzleiters einen Mindestschwellenwert überschreitet. Durch die Simulation kompakterer Weltraumregionen konnten Pasko und Kollegen diese Schwelle identifizieren. Darüber hinaus stimmten die so erzeugten TGFs viel besser mit realen Beobachtungen überein als frühere Simulationen.

Blitze erzeugen radioaktive Isotope

Pasko und Kollegen hoffen, dass zukünftige Simulationen den TGF-Elektronenlawinenmechanismus viel genauer nachahmen könnten – was möglicherweise zu neuen Techniken zur Erzeugung von Röntgenstrahlen im Labor führen könnte. „In Gegenwart von Elektroden können derselbe Verstärkungsmechanismus und die gleiche Röntgenstrahlerzeugung die Erzeugung von außer Kontrolle geratenen Elektronen aus dem Kathodenmaterial beinhalten“, erklärt Pasko.

Letztendlich könnte dies zu tieferen Einblicken führen, wie Röntgenstrahlen durch kontrollierte elektrische Entladungen in Gasen erzeugt werden können. Dies könnte zu kompakten, hocheffizienten Röntgenquellen führen. Pasko abschließend: „Wir erwarten viele neue und interessante Forschungsarbeiten zur Erforschung verschiedener Elektrodenmaterialien sowie von Gasdruckregimes und -zusammensetzungen, die zu einer verbesserten Röntgenstrahlenerzeugung aus kleinen Entladungsvolumina führen würden.“

Die Arbeit ist beschrieben in Geophysical Research Letters.

• SEO-gestützte Content- und PR-Distribution. Holen Sie sich noch heute Verstärkung.
• PlatoAiStream. Web3-Datenintelligenz. Wissen verstärkt. Hier zugreifen.
• Die Zukunft prägen mit Adryenn Ashley. Hier zugreifen.
• Kaufen und verkaufen Sie Anteile an PRE-IPO-Unternehmen mit PREIPO®. Hier zugreifen.
• Quelle: https://physicsworld.com/a/threshold-for-x-ray-flashes-from-lightning-is-identified-by-simulations/