La soglia per i lampi di raggi X causati dai fulmini è identificata dalle simulazioni

Nuove informazioni su come vengono prodotti i lampi di raggi X durante i fulmini sono state ottenute da ricercatori negli Stati Uniti, in Francia e nella Repubblica ceca. Utilizzando simulazioni al computer, un team guidato da Vittorio Pasko alla Penn State University ha mostrato come le valanghe di elettroni responsabili dei lampi innescano ad una soglia minima i campi elettrici prodotti dal precursore del fulmine. Questa scoperta potrebbe portare allo sviluppo di nuove tecniche per produrre raggi X in laboratorio.

I lampi di raggi gamma terrestri (TGF) comportano l'emissione di fotoni ad alta energia da sorgenti all'interno dell'atmosfera terrestre. Sebbene venga utilizzato il termine raggi gamma, la maggior parte dei fotoni viene creata dall'accelerazione degli elettroni e sono quindi raggi X.

Questi raggi X vengono emessi nella gamma di energia dei megaelettronvolt e la loro creazione è strettamente associata ai fulmini. Sebbene i TGF siano rari e incredibilmente brevi, ora vengono regolarmente osservati da strumenti che rilevano i raggi gamma dallo spazio.

Telescopi spaziali

"I TGF sono stati scoperti nel 1994 dal Compton Gamma Ray Observatory della NASA", spiega Pasko. “Da allora, molti altri osservatori orbitali hanno catturato questi eventi ad alta energia, incluso il Fermi Gamma-ray Space Telescope della NASA”.

Dopo la loro scoperta iniziale, le origini dei TGF sono state legate agli elettroni che vengono liberati dalle molecole d'aria dagli intensi campi elettrici dei "fulmini". Questi sono canali di aria ionizzata che si formano tra una base nuvolosa caricata negativamente e il terreno caricato positivamente. Come suggerisce il nome, la creazione di parafulmini è seguita a breve da scariche di fulmini.

Una volta che questi elettroni vengono liberati in un fulmine, vengono accelerati dal campo elettrico e si scontrano con le molecole per liberare più elettroni. Questo processo continua, creando molto rapidamente sempre più elettroni in quella che Pasko descrive una "valanga di elettroni".

Raggi X ionizzanti

Quando gli elettroni si scontrano con le molecole, parte dell'energia persa dagli elettroni viene irradiata sotto forma di raggi X. Questi raggi X viaggiano in tutte le direzioni, anche all'indietro lungo il percorso della valanga di elettroni. Di conseguenza, i raggi X possono ionizzare più molecole a monte della valanga, liberando più elettroni e rendendo i TGF ancora più luminosi.

Dopo che questo modello iniziale è stato concepito nei primi anni 2000, i ricercatori hanno tentato di ricreare il comportamento nelle simulazioni al computer. Finora, tuttavia, queste simulazioni non sono riuscite a imitare da vicino le dimensioni dei TGF osservati nei veri fulmini.

Pasko e colleghi ritengono che questa mancanza di successo sia correlata alle dimensioni relativamente grandi di queste simulazioni, che di solito modellano regioni larghe diversi chilometri. Tuttavia, quest'ultimo lavoro suggerisce che i TGF si formano tipicamente in regioni molto compatte (di dimensioni comprese tra 10 e 100 m) che circondano le punte dei leader dei fulmini. Fino ad ora, le ragioni di questa compattezza sono rimaste in gran parte un mistero.

Soglia minima

Nel loro studio, i ricercatori hanno ipotizzato che i TGF si formino solo quando la forza del campo elettrico del leader del fulmine supera un valore di soglia minimo. Simulando regioni dello spazio più compatte, Pasko e colleghi sono stati in grado di identificare questa soglia. Inoltre, i TGF prodotti in questo modo corrispondevano alle osservazioni reali molto più da vicino rispetto alle precedenti simulazioni.

I fulmini creano isotopi radioattivi

Pasko e colleghi sperano che le simulazioni future possano imitare molto più da vicino il meccanismo della valanga di elettroni TGF, portando potenzialmente a nuove tecniche per la produzione di raggi X in laboratorio. «In presenza di elettrodi, lo stesso meccanismo di amplificazione e la stessa produzione di raggi X possono comportare la generazione di elettroni fuori controllo dal materiale del catodo», spiega Pasko.

In definitiva, questo potrebbe portare a approfondimenti su come i raggi X possono essere prodotti attraverso scariche elettriche controllate nei gas. Ciò potrebbe portare a sorgenti di raggi X compatte e altamente efficienti. Pasko conclude, "prevediamo molte nuove e interessanti ricerche per esplorare diversi materiali per elettrodi, nonché regimi e composizioni di pressione del gas che porterebbero a una maggiore produzione di raggi X da piccoli volumi di scarica".

L'opera è descritta in Geophysical Research Letters.

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