A villámlásból származó röntgensugárzás küszöbét szimulációk határozzák meg

A villámlásból származó röntgensugárzás küszöbét szimulációk határozzák meg

Időbélyeg: 9. május 2023. 9:26

Villámkutatók
Villámkutatók: Reza Janalizadeh (balra) és Victor Pasko számítógépes szimulációkat készítettek arról, hogy a villámlás hogyan hozza létre a röntgensugarakat. (Jóvolt: Jeff Xu/Penn State)

Az Egyesült Államokban, Franciaországban és a Cseh Köztársaságban kutatók új betekintést nyertek a villámcsapások során felvillanó röntgensugarak előállítására. Számítógépes szimulációk segítségével egy csapat vezette Viktor Pasko A Penn State Egyetemen bemutatták, hogyan indítják el a villanásokért felelős elektronlavinákat a villám előfutára által keltett elektromos mezők minimális küszöbértékénél. Ez a felfedezés új technikák kifejlesztéséhez vezethet a röntgensugarak laboratóriumi előállítására.

A földi gamma-sugárzás (TGF-ek) a Föld légkörében lévő forrásokból származó nagy energiájú fotonok kibocsátását jelentik. Míg a gammasugárzás kifejezést használják, a fotonok többsége elektronok gyorsulásával jön létre, ezért röntgensugárzás.

Ezek a röntgensugarak a megaelektronvoltos energiatartományban bocsátanak ki, és létrejöttük szorosan összefügg a villámcsapással. Bár a TGF-ek ritkák és hihetetlenül rövidek, ma már rendszeresen megfigyelik őket az űrből érkező gamma-sugarakat észlelő műszerek.

Űrtávcsövek

„A TGF-eket 1994-ben fedezte fel a NASA Compton Gamma Ray Obszervatóriuma” – magyarázza Pasko. "Azóta számos más orbitális obszervatórium rögzítette ezeket a nagy energiájú eseményeket, köztük a NASA Fermi Gamma-űrtávcsője."

Kezdeti felfedezésüket követően a TGF-ek eredetét elektronokhoz kötötték, amelyeket a „villámvezérek” intenzív elektromos mezői szabadítanak fel a levegőmolekulákból. Ezek az ionizált levegő csatornái, amelyek egy negatív töltésű felhőbázis és a pozitív töltésű talaj között képződnek. Ahogy a neve is sugallja, a villámvezérek létrehozását rövidesen villámkisülések követik.

Miután ezek az elektronok felszabadultak egy villámvezetőben, az elektromos tér felgyorsítja őket, és molekulákkal ütközve több elektron szabadul fel. Ez a folyamat folytatódik, nagyon gyorsan hozva létre egyre több elektront abban, amit Pasko „elektronlavinának” ír le.

Ionizáló röntgensugárzás

Ahogy az elektronok ütköznek a molekulákkal, az elektronok által elvesztett energia egy része röntgensugarak formájában sugárzik ki. Ezek a röntgensugarak minden irányba terjednek – beleértve az elektronlavina útján visszafelé is. Ennek eredményeként a röntgensugarak több molekulát tudnak ionizálni a lavina előtt, így több elektron szabadul fel, és a TGF-ek még fényesebbek lesznek.

Miután ez a kezdeti modell a 2000-es évek elején megszületett, a kutatók megpróbálták újraalkotni a viselkedést számítógépes szimulációkban. Ez idáig azonban ezeknek a szimulációknak nem sikerült szorosan utánozniuk a valódi villámcsapások során megfigyelt TGF-ek méretét.

Pasko és munkatársai úgy vélik, hogy ez a sikertelenség a szimulációk viszonylag nagy méretével függ össze, amelyek általában több kilométer átmérőjű régiókat modelleznek. Ez a legújabb munka azonban azt sugallja, hogy a TGF-ek jellemzően nagyon tömör (10–100 m méretű) régiókban alakulnak ki, amelyek a villámvezérek csúcsait veszik körül. Mindeddig a tömörség körüli okok nagyrészt rejtélyek maradtak.

Minimális küszöb

Tanulmányukban a kutatók azt feltételezték, hogy a TGF-ek csak akkor keletkeznek, ha a villámvezér elektromos mezejének erőssége meghaladja a minimális küszöbértéket. A tér kompaktabb régióinak szimulálásával Pasko és munkatársai azonosítani tudták ezt a küszöböt. Ráadásul az így előállított TGF-ek sokkal jobban illeszkedtek a valós megfigyelésekhez, mint a korábbi szimulációk.

Pasko és munkatársai remélik, hogy a jövőbeni szimulációk sokkal jobban utánozhatják a TGF elektronlavina mechanizmusát, ami potenciálisan új technikákhoz vezethet a röntgensugarak laboratóriumi előállítására. „Elektródák jelenlétében ugyanaz az erősítési mechanizmus és a röntgensugárzás előállítása magában foglalhatja a katódanyagból kifutó elektronok generálását” – magyarázza Pasko.

Végső soron ez mélyebb betekintést nyerhet abba, hogy hogyan lehet röntgensugarakat előállítani szabályozott gázkisülésekkel. Ez kompakt, rendkívül hatékony röntgenforrásokhoz vezethet. Pasko arra a következtetésre jut, hogy „sok új és érdekes kutatásra számítunk a különböző elektródaanyagok, valamint a gáznyomás-rendszerek és -összetételek feltárására, amelyek kis kisülési térfogatok esetén fokozott röntgensugárzáshoz vezetnek.”

A munka leírása a Geophysical Research Letters.

Időbélyeg:

Még több Fizika Világa