Drempel voor röntgenflitsen van bliksem wordt geïdentificeerd door simulaties

Nieuwe inzichten in hoe röntgenflitsen worden geproduceerd tijdens blikseminslagen zijn gemaakt door onderzoekers in de VS, Frankrijk en Tsjechië. Met behulp van computersimulaties heeft een team onder leiding van Victor Pasco aan de Penn State University liet zien hoe lawines van elektronen die verantwoordelijk zijn voor de flitsen worden geactiveerd bij een minimumdrempel van de elektrische velden die worden geproduceerd door de voorloper van bliksem. Deze ontdekking zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van nieuwe technieken voor het maken van röntgenstralen in het laboratorium.

Terrestrische gammastraalflitsen (TGF's) omvatten de emissie van hoogenergetische fotonen uit bronnen in de atmosfeer van de aarde. Hoewel de term gammastraling wordt gebruikt, worden de meeste fotonen gecreëerd door de versnelling van elektronen en zijn daarom röntgenstralen.

Deze röntgenstralen worden uitgezonden in het mega-elektronvolt-energiebereik en hun creatie is nauw verbonden met bliksem. Hoewel TGF's zeldzaam en ongelooflijk kort zijn, worden ze nu regelmatig waargenomen door instrumenten die gammastraling vanuit de ruimte detecteren.

Ruimte telescopen

"TGF's werden in 1994 ontdekt door NASA's Compton Gamma Ray Observatory", legt Pasko uit. "Sindsdien hebben veel andere orbitale observatoria deze hoogenergetische gebeurtenissen vastgelegd, waaronder NASA's Fermi Gamma-ray Space Telescope."

Na hun eerste ontdekking werd de oorsprong van TGF's gekoppeld aan elektronen die worden vrijgemaakt uit luchtmoleculen door de intense elektrische velden van "bliksemleiders". Dit zijn kanalen van geïoniseerde lucht die zich vormen tussen een negatief geladen wolkenbasis en de positief geladen grond. Zoals de naam al doet vermoeden, wordt de creatie van bliksemleiders kort gevolgd door bliksemontladingen.

Zodra deze elektronen zijn vrijgemaakt in een bliksemleider, worden ze versneld door het elektrische veld en botsen ze met moleculen om meer elektronen vrij te maken. Dit proces gaat door en creëert zeer snel steeds meer elektronen in wat Pasko een "elektronenlawine" beschrijft.

Ioniserende röntgenstralen

Terwijl de elektronen botsen met moleculen, wordt een deel van de energie die verloren gaat door de elektronen uitgestraald in de vorm van röntgenstralen. Deze röntgenstralen reizen in alle richtingen - ook terug langs het pad van de elektronenlawine. Als gevolg hiervan kunnen de röntgenstralen stroomopwaarts van de lawine meer moleculen ioniseren, waardoor meer elektronen vrijkomen en de TGF's nog helderder worden.

Nadat dit eerste model in de vroege jaren 2000 was bedacht, probeerden onderzoekers het gedrag na te bootsen in computersimulaties. Tot nu toe zijn deze simulaties er echter niet in geslaagd om de afmetingen van TGF's die worden waargenomen bij echte blikseminslagen nauwkeurig na te bootsen.

Pasko en collega's geloven dat dit gebrek aan succes verband houdt met de relatief grote omvang van deze simulaties, die meestal regio's modelleren die enkele kilometers breed zijn. Dit laatste werk suggereert echter dat TGF's zich doorgaans vormen in zeer compacte gebieden (variërend van 10-100 m groot) rondom de toppen van bliksemleiders. Tot nu toe zijn de redenen voor deze compactheid grotendeels een mysterie gebleven.

Minimale drempel

In hun studie gingen de onderzoekers ervan uit dat TGF's alleen worden gevormd wanneer de sterkte van het elektrische veld van de bliksemleider een minimale drempelwaarde overschrijdt. Door compactere ruimtegebieden te simuleren, konden Pasko en collega's deze drempel identificeren. Bovendien kwamen de op deze manier geproduceerde TGF's veel beter overeen met echte waarnemingen dan eerdere simulaties.

Bliksem creëert radioactieve isotopen

Pasko en collega's hopen dat toekomstige simulaties het TGF-elektronenlawinemechanisme veel nauwkeuriger kunnen nabootsen - mogelijk leidend tot nieuwe technieken voor het produceren van röntgenstralen in het laboratorium. "In de aanwezigheid van elektroden kan hetzelfde versterkingsmechanisme en röntgenproductie gepaard gaan met het genereren van weggelopen elektronen uit het kathodemateriaal", legt Pasko uit.

Uiteindelijk zou dit kunnen leiden tot diepere inzichten in hoe röntgenstralen kunnen worden geproduceerd door gecontroleerde elektrische ontladingen in gassen. Dit zou kunnen leiden tot compacte, zeer efficiënte röntgenbronnen. Pasko concludeert: "We verwachten veel nieuw en interessant onderzoek om verschillende elektrodematerialen te onderzoeken, evenals gasdrukregimes en samenstellingen die zouden leiden tot verbeterde röntgenproductie van kleine ontladingsvolumes."

Het werk wordt beschreven in Geophysical Research Letters.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoAiStream. Web3 gegevensintelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• De toekomst slaan met Adryenn Ashley. Toegang hier.
• Koop en verkoop aandelen in PRE-IPO-bedrijven met PREIPO®. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/threshold-for-x-ray-flashes-from-lightning-is-identified-by-simulations/