Το κατώφλι για λάμψεις ακτίνων Χ από κεραυνούς προσδιορίζεται με προσομοιώσεις

Το κατώφλι για λάμψεις ακτίνων Χ από κεραυνούς προσδιορίζεται με προσομοιώσεις

Χρονική σήμανση: 9 Μαΐου 2023 9:26 π.μ.

Ερευνητές κεραυνών
Ερευνητές κεραυνών: ο Reza Janalizadeh (αριστερά) και ο Victor Pasko έχουν κάνει προσομοιώσεις σε υπολογιστή για το πώς δημιουργούνται οι ακτίνες Χ από τον κεραυνό. (Ευγενική προσφορά: Jeff Xu/Penn State)

Νέες γνώσεις για το πώς παράγονται οι λάμψεις ακτίνων Χ κατά τη διάρκεια των κεραυνών έχουν γίνει από ερευνητές στις ΗΠΑ, τη Γαλλία και την Τσεχική Δημοκρατία. Χρησιμοποιώντας προσομοιώσεις υπολογιστή, μια ομάδα με επικεφαλής τον Βίκτορ Πάσκο στο Πανεπιστήμιο Penn State έδειξε πώς οι χιονοστιβάδες ηλεκτρονίων που ευθύνονται για τις λάμψεις ενεργοποιούνται σε ένα ελάχιστο όριο τα ηλεκτρικά πεδία που παράγονται από τον πρόδρομο του κεραυνού. Αυτή η ανακάλυψη θα μπορούσε να οδηγήσει στην ανάπτυξη νέων τεχνικών για την παραγωγή ακτίνων Χ στο εργαστήριο.

Οι επίγειες λάμψεις ακτίνων γάμμα (TGF) περιλαμβάνουν την εκπομπή φωτονίων υψηλής ενέργειας από πηγές εντός της ατμόσφαιρας της Γης. Ενώ χρησιμοποιείται ο όρος ακτίνες γάμμα, τα περισσότερα φωτόνια δημιουργούνται από την επιτάχυνση των ηλεκτρονίων και επομένως είναι ακτίνες Χ.

Αυτές οι ακτίνες Χ εκπέμπονται στην ενεργειακή περιοχή των μεγαηλεκτρονβολτ και η δημιουργία τους συνδέεται στενά με τον κεραυνό. Αν και οι TGF είναι σπάνιοι και απίστευτα σύντομοι, τώρα παρατηρούνται τακτικά από όργανα που ανιχνεύουν ακτίνες γάμμα από το διάστημα.

Διαστημικά τηλεσκόπια

«Τα TGF ανακαλύφθηκαν το 1994 από το Παρατηρητήριο ακτίνων γάμμα Compton της NASA», εξηγεί ο Pasko. «Από τότε, πολλά άλλα τροχιακά παρατηρητήρια έχουν καταγράψει αυτά τα γεγονότα υψηλής ενέργειας, συμπεριλαμβανομένου του διαστημικού τηλεσκοπίου ακτίνων γάμμα Fermi της NASA».

Μετά την αρχική τους ανακάλυψη, η προέλευση των TGF συνδέθηκε με ηλεκτρόνια που απελευθερώνονται από τα μόρια του αέρα από τα έντονα ηλεκτρικά πεδία των «ηγετών κεραυνών». Αυτά είναι κανάλια ιονισμένου αέρα που σχηματίζονται μεταξύ μιας αρνητικά φορτισμένης βάσης νέφους και της θετικά φορτισμένης γείωσης. Όπως υποδηλώνει το όνομα, η δημιουργία των ηγετών κεραυνών ακολουθείται σύντομα από αστραπιαίες εκκενώσεις.

Μόλις αυτά τα ηλεκτρόνια απελευθερωθούν σε έναν οδηγό κεραυνού, επιταχύνονται από το ηλεκτρικό πεδίο και συγκρούονται με μόρια για να απελευθερώσουν περισσότερα ηλεκτρόνια. Αυτή η διαδικασία συνεχίζεται, δημιουργώντας πολύ γρήγορα ολοένα και περισσότερα ηλεκτρόνια σε αυτό που ο Pasko περιγράφει μια «χιονοστιβάδα ηλεκτρονίων».

Ιονίζουσες ακτίνες Χ

Καθώς τα ηλεκτρόνια συγκρούονται με μόρια, μέρος της ενέργειας που χάνεται από τα ηλεκτρόνια ακτινοβολείται με τη μορφή ακτίνων Χ. Αυτές οι ακτίνες Χ ταξιδεύουν προς όλες τις κατευθύνσεις – συμπεριλαμβανομένης της επιστροφής κατά μήκος της διαδρομής της χιονοστιβάδας ηλεκτρονίων. Ως αποτέλεσμα, οι ακτίνες Χ μπορούν να ιονίσουν περισσότερα μόρια ανάντη από τη χιονοστιβάδα, ελευθερώνοντας περισσότερα ηλεκτρόνια και κάνοντας τους TGF ακόμα πιο φωτεινούς.

Μετά τη σύλληψη αυτού του αρχικού μοντέλου στις αρχές της δεκαετίας του 2000, οι ερευνητές προσπάθησαν να αναδημιουργήσουν τη συμπεριφορά σε προσομοιώσεις υπολογιστή. Μέχρι στιγμής, ωστόσο, αυτές οι προσομοιώσεις δεν έχουν καταφέρει να μιμηθούν στενά τα μεγέθη των TGF που παρατηρούνται σε πραγματικούς κεραυνούς.

Ο Pasko και οι συνεργάτες του πιστεύουν ότι αυτή η έλλειψη επιτυχίας σχετίζεται με το σχετικά μεγάλο μέγεθος αυτών των προσομοιώσεων, οι οποίες συνήθως μοντελοποιούν περιοχές που έχουν διάμετρο πολλών χιλιομέτρων. Ωστόσο, αυτή η τελευταία εργασία υποδηλώνει ότι τα TGF σχηματίζονται συνήθως σε εξαιρετικά συμπαγείς περιοχές (που κυμαίνονται από 10 έως 100 μέτρα σε μέγεθος) που περιβάλλουν τις άκρες των ηγετών κεραυνών. Μέχρι τώρα, οι λόγοι που περιβάλλουν αυτή τη συμπαγή παρέμεναν σε μεγάλο βαθμό ένα μυστήριο.

Ελάχιστο όριο

Στη μελέτη τους, οι ερευνητές υπέθεσαν ότι τα TGF σχηματίζονται μόνο όταν η ισχύς του ηλεκτρικού πεδίου του ηγέτη του κεραυνού υπερβαίνει μια ελάχιστη τιμή κατωφλίου. Προσομοιώνοντας πιο συμπαγείς περιοχές του χώρου, ο Pasko και οι συνεργάτες του κατάφεραν να προσδιορίσουν αυτό το όριο. Επιπλέον, τα TGF που παράγονται με αυτόν τον τρόπο ταίριαζαν με πραγματικές παρατηρήσεις πολύ πιο στενά από προηγούμενες προσομοιώσεις.

Ο Pasko και οι συνεργάτες του ελπίζουν ότι οι μελλοντικές προσομοιώσεις θα μπορούσαν να μιμηθούν πολύ πιο στενά τον μηχανισμό χιονοστιβάδας ηλεκτρονίων TGF - ενδεχομένως να οδηγήσουν σε νέες τεχνικές για την παραγωγή ακτίνων Χ στο εργαστήριο. «Παρουσία ηλεκτροδίων, ο ίδιος μηχανισμός ενίσχυσης και η παραγωγή ακτίνων Χ μπορεί να περιλαμβάνουν τη δημιουργία ηλεκτρονίων που διαφεύγουν από το υλικό της καθόδου», εξηγεί ο Pasko.

Τελικά, αυτό θα μπορούσε να οδηγήσει σε βαθύτερες γνώσεις για το πώς μπορούν να παραχθούν οι ακτίνες Χ μέσω ελεγχόμενων ηλεκτρικών εκκενώσεων στα αέρια. Αυτό θα μπορούσε να οδηγήσει σε συμπαγείς, υψηλής απόδοσης πηγές ακτίνων Χ. Ο Pasko καταλήγει, «αναμένουμε πολλές νέες και ενδιαφέρουσες έρευνες για να εξερευνήσουμε διαφορετικά υλικά ηλεκτροδίων, καθώς και συστήματα πίεσης αερίου και συνθέσεις που θα οδηγούσαν σε ενισχυμένη παραγωγή ακτίνων Χ από μικρούς όγκους εκκένωσης».

Το έργο περιγράφεται στο Geophysical Research Letters,.

Σφραγίδα ώρας:

Περισσότερα από Κόσμος Φυσικής