Próg dla rozbłysków rentgenowskich od wyładowań atmosferycznych jest identyfikowany za pomocą symulacji

Naukowcy z USA, Francji i Czech poczynili nowe spostrzeżenia na temat powstawania rozbłysków rentgenowskich podczas uderzeń piorunów. Korzystając z symulacji komputerowych, zespół kierowany przez Wiktor Pasko z Penn State University pokazali, jak lawiny elektronów odpowiedzialne za błyski są wyzwalane przy minimalnym progu pól elektrycznych wytwarzanych przez prekursora piorunów. To odkrycie może doprowadzić do opracowania nowych technik wytwarzania promieni rentgenowskich w laboratorium.

Ziemskie błyski promieniowania gamma (TGF) obejmują emisję fotonów o wysokiej energii ze źródeł znajdujących się w atmosferze ziemskiej. Chociaż używany jest termin promieniowanie gamma, większość fotonów powstaje w wyniku przyspieszenia elektronów, a zatem są to promienie rentgenowskie.

Te promienie rentgenowskie są emitowane w zakresie energii megaelektronowoltów, a ich powstawanie jest ściśle związane z wyładowaniami atmosferycznymi. Chociaż TGF są rzadkie i niewiarygodnie krótkie, są obecnie regularnie obserwowane przez instrumenty wykrywające promienie gamma z kosmosu.

Teleskopy kosmiczne

„TGF zostały odkryte w 1994 roku przez należące do NASA Compton Gamma Ray Observatory” — wyjaśnia Pasko. „Od tego czasu wiele innych obserwatoriów orbitalnych uchwyciło te zdarzenia o wysokiej energii, w tym Kosmiczny Teleskop Fermi Gamma-ray Space Telescope NASA”.

Po ich początkowym odkryciu pochodzenie TGF zostało powiązane z elektronami uwalnianymi z cząsteczek powietrza przez intensywne pola elektryczne „liderów piorunów”. Są to kanały zjonizowanego powietrza, które tworzą się pomiędzy ujemnie naładowaną chmurą a dodatnio naładowaną ziemią. Jak sama nazwa wskazuje, po stworzeniu przywódców piorunów następuje wkrótce wyładowanie atmosferyczne.

Gdy te elektrony zostaną uwolnione w piorunie, są przyspieszane przez pole elektryczne i zderzają się z cząsteczkami, aby uwolnić więcej elektronów. Proces ten trwa, bardzo szybko tworząc coraz więcej elektronów w tym, co Pasko opisuje jako „lawinę elektronową”.

Jonizujące promieniowanie rentgenowskie

Gdy elektrony zderzają się z cząsteczkami, część energii traconej przez elektrony jest wypromieniowywana w postaci promieni rentgenowskich. Te promienie rentgenowskie przemieszczają się we wszystkich kierunkach – w tym z powrotem wzdłuż ścieżki lawiny elektronów. W rezultacie promienie rentgenowskie mogą jonizować więcej cząsteczek przed lawiną, uwalniając więcej elektronów i sprawiając, że TGF są jeszcze jaśniejsze.

Po stworzeniu tego wstępnego modelu na początku XXI wieku naukowcy podjęli próbę odtworzenia zachowania w symulacjach komputerowych. Jak dotąd jednak symulacje te nie zdołały dokładnie naśladować rozmiarów TGF obserwowanych podczas rzeczywistych uderzeń pioruna.

Pasko i współpracownicy uważają, że ten brak sukcesu jest związany ze stosunkowo dużym rozmiarem tych symulacji, które zwykle modelują regiony o średnicy kilku kilometrów. Jednak ta ostatnia praca sugeruje, że TGF zazwyczaj tworzą się w bardzo zwartych regionach (o wielkości od 10 do 100 m) otaczających czubki liderów piorunów. Do tej pory przyczyny tej zwartości w dużej mierze pozostawały tajemnicą.

Minimalny próg

W swoich badaniach naukowcy założyli, że TGF powstają tylko wtedy, gdy siła pola elektrycznego lidera pioruna przekracza minimalną wartość progową. Symulując bardziej zwarte obszary przestrzeni, Pasko i współpracownicy byli w stanie zidentyfikować ten próg. Co więcej, wytworzone w ten sposób TGF znacznie lepiej pasowały do ​​rzeczywistych obserwacji niż poprzednie symulacje.

Błyskawica tworzy radioaktywne izotopy

Pasko i współpracownicy mają nadzieję, że przyszłe symulacje będą mogły znacznie dokładniej naśladować mechanizm lawiny elektronów TGF – potencjalnie prowadząc do nowych technik wytwarzania promieni rentgenowskich w laboratorium. „W obecności elektrod ten sam mechanizm wzmacniania i wytwarzanie promieniowania rentgenowskiego może obejmować generowanie uciekających elektronów z materiału katody”, wyjaśnia Pasko.

Ostatecznie może to prowadzić do głębszego wglądu w to, w jaki sposób promienie rentgenowskie mogą być wytwarzane poprzez kontrolowane wyładowania elektryczne w gazach. Może to prowadzić do powstania kompaktowych, wysoce wydajnych źródeł promieniowania rentgenowskiego. Pasko podsumowuje: „przewidujemy wiele nowych i interesujących badań w celu zbadania różnych materiałów elektrod, a także reżimów ciśnienia gazu i składu, które doprowadziłyby do zwiększonej produkcji promieniowania rentgenowskiego z małych objętości wyładowań”.

Praca jest opisana w Listy badań geofizycznych.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoAiStream. Analiza danych Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• Wybijanie przyszłości w Adryenn Ashley. Dostęp tutaj.
• Kupuj i sprzedawaj akcje spółek PRE-IPO z PREIPO®. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/threshold-for-x-ray-flashes-from-lightning-is-identified-by-simulations/