Salaman aiheuttamien röntgensäteiden välähdysten kynnys tunnistetaan simulaatioilla

Tutkijat Yhdysvalloissa, Ranskassa ja Tšekin tasavallassa ovat saaneet uusia näkemyksiä siitä, miten röntgensäteet syntyvät salamaniskujen aikana. Käyttäen tietokonesimulaatioita, johtama tiimi Viktor Pasko Penn State Universityssä osoitti, kuinka välähdyksistä vastuussa olevien elektronien lumivyöryt laukaisevat salaman edeltäjän tuottamien sähkökenttien vähimmäiskynnyksen. Tämä löytö voi johtaa uusien tekniikoiden kehittämiseen röntgensäteiden tuottamiseksi laboratoriossa.

Maanpäälliset gammasäteilysalamat (TGF:t) sisältävät korkeaenergisten fotonien päästön Maan ilmakehän lähteistä. Vaikka termiä gammasäde käytetään, suurin osa fotoneista syntyy elektronien kiihtymisestä ja ovat siksi röntgensäteitä.

Nämä röntgensäteet säteilevät megaelektronivolttienergia-alueella ja niiden syntyminen liittyy läheisesti salamaan. Vaikka TGF:t ovat harvinaisia ​​ja uskomattoman lyhyitä, niitä tarkkaillaan nykyään säännöllisesti instrumenteilla, jotka havaitsevat gammasäteitä avaruudesta.

Avaruusteleskoopit

"NASA:n Compton Gamma Ray Observatory löysi TGF:t vuonna 1994", Pasko selittää. "Sittemmin monet muut orbitaaliset observatoriot ovat tallentaneet näitä korkean energian tapahtumia, mukaan lukien NASAn Fermi Gamma-ray -avaruusteleskooppi."

Alkuperäisen löydön jälkeen TGF:ien alkuperä yhdistettiin elektroneihin, jotka vapautuvat ilmamolekyyleistä "salamajohtajien" voimakkaiden sähkökenttien vaikutuksesta. Nämä ovat ionisoidun ilman kanavia, jotka muodostuvat negatiivisesti varautuneen pilvipohjan ja positiivisesti varautuneen maan väliin. Kuten nimestä voi päätellä, salamajohtajien luomista seuraa pian salamapurkaus.

Kun nämä elektronit vapautuvat salaman johdossa, ne kiihtyvät sähkökentän vaikutuksesta ja törmäävät molekyyleihin vapauttaen lisää elektroneja. Tämä prosessi jatkuu luoden erittäin nopeasti yhä enemmän elektroneja Paskon kuvaamaan "elektronivyöryyn".

Ionisoivat röntgensäteet

Kun elektronit törmäävät molekyyleihin, osa elektronien menettämästä energiasta säteilee röntgensäteiden muodossa. Nämä röntgensäteet kulkevat kaikkiin suuntiin – myös takaisin elektronivyöryn reittiä pitkin. Tämän seurauksena röntgensäteet voivat ionisoida enemmän molekyylejä ylävirtaan lumivyörystä, vapauttaen enemmän elektroneja ja tehden TGF:istä entistä kirkkaampia.

Tämän alkuperäisen mallin luomisen jälkeen 2000-luvun alussa tutkijat yrittivät luoda käyttäytymisen uudelleen tietokonesimulaatioissa. Toistaiseksi nämä simulaatiot eivät kuitenkaan ole onnistuneet jäljittelemään tarkasti todellisissa salamaniskuissa havaittuja TGF-kokoja.

Pasko ja kollegat uskovat, että tämä epäonnistuminen johtuu näiden simulaatioiden suhteellisen suuresta koosta, jotka yleensä mallintavat useiden kilometrien mittaisia ​​alueita. Tämä uusin työ kuitenkin viittaa siihen, että TGF:t muodostuvat tyypillisesti erittäin kompakteille alueille (kooltaan 10–100 m), jotka ympäröivät salamanjohtajien kärkiä. Tähän asti tähän kompaktisuuteen liittyvät syyt ovat suurelta osin jääneet mysteeriksi.

Minimikynnys

Tutkimuksessaan tutkijat olettivat, että TGF:t muodostuvat vain, kun salaman johtajan sähkökentän voimakkuus ylittää vähimmäiskynnysarvon. Simuloimalla kompaktimpia avaruusalueita Pasko ja kollegat pystyivät tunnistamaan tämän kynnyksen. Lisäksi tällä tavalla tuotetut TGF:t vastasivat todellisia havaintoja paljon paremmin kuin aiemmat simulaatiot.

Salama luo radioaktiivisia isotooppeja

Pasko ja kollegat toivovat, että tulevat simulaatiot voisivat jäljitellä TGF-elektronivyörymekanismia paljon tarkemmin - mikä saattaa johtaa uusiin tekniikoihin röntgensäteiden tuottamiseksi laboratoriossa. "Elektrodien läsnäollessa sama vahvistusmekanismi ja röntgensäteet voivat sisältää katodimateriaalista karkaavia elektroneja", Pasko selittää.

Viime kädessä tämä voisi johtaa syvempään näkemykseen siitä, kuinka röntgensäteitä voidaan tuottaa kaasujen kontrolloiduilla sähköpurkauksilla. Tämä voisi johtaa pienikokoisiin, erittäin tehokkaisiin röntgenlähteisiin. Pasko päättää: "Odotamme paljon uutta ja mielenkiintoista tutkimusta tutkiaksemme erilaisia ​​elektrodimateriaaleja sekä kaasun painejärjestelmiä ja koostumuksia, jotka johtaisivat tehostettuun röntgentuotantoon pienillä purkaustilavuuksilla."

Teos on kuvattu Geofysiikan tutkimuskirjeet.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• Tulevaisuuden lyöminen Adryenn Ashley. Pääsy tästä.
• Osta ja myy osakkeita PRE-IPO-yhtiöissä PREIPO®:lla. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/threshold-for-x-ray-flashes-from-lightning-is-identified-by-simulations/