Terskel for røntgenblink fra lyn er identifisert ved simuleringer

Terskel for røntgenblink fra lyn er identifisert ved simuleringer

Tidsstempel: 9. mai 2023 9:26

Lynforskere
Lynforskere: Reza Janalizadeh (til venstre) og Victor Pasko har gjort datasimuleringer av hvordan røntgenstråler skapes av lyn. (Med tillatelse: Jeff Xu/Penn State)

Ny innsikt i hvordan røntgenblits produseres under lynnedslag er gjort av forskere i USA, Frankrike og Tsjekkia. Ved hjelp av datasimuleringer har et team ledet av Victor Pasko ved Penn State University viste hvordan snøskred av elektroner som er ansvarlige for blinkene utløses ved en minimumsterskel for de elektriske feltene som produseres av forløperen til lynet. Denne oppdagelsen kan føre til utvikling av nye teknikker for å produsere røntgenstråler i laboratoriet.

Terrestriske gammastråleblink (TGF) involverer utslipp av høyenergifotoner fra kilder i jordens atmosfære. Mens begrepet gammastråler brukes, er de fleste fotonene skapt ved akselerasjon av elektroner og er derfor røntgenstråler.

Disse røntgenstrålene sendes ut i megaelektronvolt-energiområdet og deres skapelse er nært forbundet med lyn. Selv om TGF-er er sjeldne og utrolig korte, blir de nå regelmessig observert av instrumenter som oppdager gammastråler fra verdensrommet.

Romteleskoper

"TGF-er ble oppdaget i 1994 av NASAs Compton Gamma Ray Observatory," forklarer Pasko. "Siden den gang har mange andre orbitale observatorier fanget disse høyenergihendelsene, inkludert NASAs Fermi Gamma-ray Space Telescope."

Etter deres første oppdagelse ble opprinnelsen til TGF-er knyttet til elektroner som frigjøres fra luftmolekyler av de intense elektriske feltene til "lynledere". Dette er kanaler med ionisert luft som dannes mellom en negativt ladet skybas og den positivt ladede bakken. Som navnet antyder, blir opprettelsen av lynledere etterfulgt av lynutladninger.

Når disse elektronene er frigjort i en lynleder, blir de akselerert av det elektriske feltet og kolliderer med molekyler for å frigjøre flere elektroner. Denne prosessen fortsetter, og skaper veldig raskt flere og flere elektroner i det Pasko beskriver et "elektronskred".

Ioniserende røntgenstråler

Når elektronene kolliderer med molekyler, utstråles noe av energien som går tapt av elektronene i form av røntgenstråler. Disse røntgenstrålene beveger seg i alle retninger - inkludert tilbake langs banen til elektronskredet. Som et resultat kan røntgenstrålene ionisere flere molekyler oppstrøms fra skredet, frigjøre flere elektroner og gjøre TGF-ene enda lysere.

Etter at denne første modellen ble unnfanget på begynnelsen av 2000-tallet, forsøkte forskere å gjenskape atferden i datasimuleringer. Så langt har disse simuleringene imidlertid ikke klart å etterligne størrelsene på TGF-er som er observert i ekte lynnedslag.

Pasko og kollegene mener at denne mangelen på suksess er relatert til den relativt store størrelsen på disse simuleringene, som vanligvis modellerer regioner som er flere kilometer på tvers. Imidlertid antyder dette siste arbeidet at TGF-er vanligvis dannes i svært kompakte områder (som varierer fra 10–100 m i størrelse) rundt tuppene til lynledere. Til nå har årsakene rundt denne kompaktheten stort sett forblitt et mysterium.

Minimum terskel

I sin studie antok forskerne at TGF-er bare dannes når styrken til lynlederens elektriske felt overskrider en minste terskelverdi. Ved å simulere mer kompakte områder i rommet, var Pasko og kolleger i stand til å identifisere denne terskelen. Dessuten matchet TGF-ene produsert på denne måten virkelige observasjoner langt nærmere enn tidligere simuleringer.

Pasko og kolleger håper at fremtidige simuleringer kan etterligne TGF-elektronskredmekanismen langt nærmere - potensielt føre til nye teknikker for å produsere røntgenstråler i laboratoriet. "I nærvær av elektroder kan den samme forsterkningsmekanismen og røntgenproduksjonen involvere generering av løpende elektroner fra katodematerialet," forklarer Pasko.

Til syvende og sist kan dette føre til dypere innsikt i hvordan røntgenstråler kan produseres gjennom kontrollerte elektriske utladninger i gasser. Dette kan føre til kompakte, svært effektive røntgenkilder. Pasko konkluderer, "vi forventer mye ny og interessant forskning for å utforske forskjellige elektrodematerialer, så vel som gasstrykkregimer og sammensetninger som vil føre til forbedret røntgenproduksjon fra små utladningsvolumer."

Arbeidet er beskrevet i Geofysiske forskningsbokstaver.

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden