Le seuil pour les éclairs de rayons X de la foudre est identifié par des simulations

Des chercheurs aux États-Unis, en France et en République tchèque ont fait de nouvelles découvertes sur la façon dont les flashs de rayons X sont produits pendant les coups de foudre. À l'aide de simulations informatiques, une équipe dirigée par Victor Pasco à Penn State University a montré comment des avalanches d'électrons responsables des éclairs déclenchent à un seuil minimum les champs électriques produits par le précurseur de la foudre. Cette découverte pourrait conduire au développement de nouvelles techniques de production de rayons X en laboratoire.

Les flashs gamma terrestres (TGF) impliquent l'émission de photons de haute énergie à partir de sources situées dans l'atmosphère terrestre. Bien que le terme rayon gamma soit utilisé, la plupart des photons sont créés par l'accélération des électrons et sont donc des rayons X.

Ces rayons X sont émis dans la gamme d'énergie des mégaélectronvolts et leur création est étroitement associée à la foudre. Bien que les TGF soient rares et incroyablement brefs, ils sont maintenant régulièrement observés par des instruments qui détectent les rayons gamma de l'espace.

Télescopes spatiaux

« Les TGF ont été découverts en 1994 par le Compton Gamma Ray Observatory de la NASA », explique Pasko. "Depuis lors, de nombreux autres observatoires orbitaux ont capturé ces événements à haute énergie, y compris le télescope spatial à rayons gamma Fermi de la NASA."

Suite à leur découverte initiale, les origines des TGF ont été liées aux électrons qui sont libérés des molécules d'air par les champs électriques intenses des "leaders de la foudre". Ce sont des canaux d'air ionisé qui se forment entre une base nuageuse chargée négativement et le sol chargé positivement. Comme son nom l'indique, la création de guides de foudre est suivie peu de temps après par des décharges de foudre.

Une fois que ces électrons sont libérés dans un guide-foudre, ils sont accélérés par le champ électrique et entrent en collision avec des molécules pour libérer plus d'électrons. Ce processus se poursuit, créant très rapidement de plus en plus d'électrons dans ce que Pasko décrit comme une « avalanche d'électrons ».

Rayons X ionisants

Lorsque les électrons entrent en collision avec des molécules, une partie de l'énergie perdue par les électrons est émise sous forme de rayons X. Ces rayons X voyagent dans toutes les directions, y compris en remontant le long de la trajectoire de l'avalanche d'électrons. En conséquence, les rayons X peuvent ioniser plus de molécules en amont de l'avalanche, libérant plus d'électrons et rendant les TGF encore plus brillants.

Après la conception de ce modèle initial au début des années 2000, les chercheurs ont tenté de recréer le comportement dans des simulations informatiques. Jusqu'à présent, cependant, ces simulations n'ont pas réussi à imiter étroitement les tailles de TGF observées lors de véritables coups de foudre.

Pasko et ses collègues pensent que ce manque de succès est lié à la taille relativement importante de ces simulations, qui modélisent généralement des régions de plusieurs kilomètres de diamètre. Cependant, ces derniers travaux suggèrent que les TGF se forment généralement dans des régions très compactes (allant de 10 à 100 m) entourant les pointes des leaders de la foudre. Jusqu'à présent, les raisons entourant cette compacité sont restées largement énigmatiques.

Seuil minimal

Dans leur étude, les chercheurs ont supposé que les TGF ne se forment que lorsque l'intensité du champ électrique du paratonnerre dépasse une valeur seuil minimale. En simulant des régions plus compactes de l'espace, Pasko et ses collègues ont pu identifier ce seuil. De plus, les TGF produits de cette manière correspondaient beaucoup plus étroitement aux observations réelles que les simulations précédentes.

La foudre crée des isotopes radioactifs

Pasko et ses collègues espèrent que les futures simulations pourraient imiter de beaucoup plus près le mécanisme d'avalanche d'électrons du TGF, ce qui pourrait conduire à de nouvelles techniques de production de rayons X en laboratoire. "En présence d'électrodes, le même mécanisme d'amplification et la production de rayons X peuvent impliquer la génération d'électrons incontrôlables à partir du matériau de la cathode", explique Pasko.

En fin de compte, cela pourrait conduire à des connaissances plus approfondies sur la façon dont les rayons X peuvent être produits par des décharges électriques contrôlées dans les gaz. Cela pourrait conduire à des sources de rayons X compactes et très efficaces. Pasko conclut : « Nous prévoyons de nombreuses recherches nouvelles et intéressantes pour explorer différents matériaux d'électrode, ainsi que des régimes de pression de gaz et des compositions qui conduiraient à une production améliorée de rayons X à partir de petits volumes de décharge.

Le travail est décrit dans Geophysical Research Letters.

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• La source: https://physicsworld.com/a/threshold-for-x-ray-flashes-from-lightning-is-identified-by-simulations/