Порог для рентгеновских вспышек от молнии определяется моделированием

Новое понимание того, как возникают рентгеновские вспышки во время ударов молнии, было сделано исследователями из США, Франции и Чехии. Используя компьютерное моделирование, команда под руководством Виктор Пасько в Университете штата Пенсильвания показали, как лавины электронов, ответственные за вспышки, запускаются при минимальном пороге электрических полей, создаваемых предшественником молнии. Это открытие может привести к разработке новых методов получения рентгеновских лучей в лаборатории.

Наземные гамма-вспышки (TGF) связаны с испусканием фотонов высокой энергии из источников в атмосфере Земли. Хотя используется термин гамма-излучение, большинство фотонов создаются ускорением электронов и, следовательно, являются рентгеновскими лучами.

Эти рентгеновские лучи испускаются в диапазоне энергий мегаэлектронвольт, и их создание тесно связано с молнией. Хотя TGF редки и невероятно кратковременны, сейчас их регулярно наблюдают с помощью приборов, обнаруживающих гамма-лучи из космоса.

Космические телескопы

«TGF были обнаружены в 1994 году Комптоновской гамма-обсерваторией НАСА, — объясняет Паско. «С тех пор многие другие орбитальные обсерватории зафиксировали эти высокоэнергетические события, в том числе космический гамма-телескоп Ферми НАСА».

После их первоначального открытия происхождение TGF было связано с электронами, которые высвобождаются из молекул воздуха интенсивными электрическими полями «лидеров молний». Это каналы ионизированного воздуха, которые образуются между отрицательно заряженной нижней частью облака и положительно заряженной землей. Как следует из названия, за созданием грозовых лидеров вскоре следуют грозовые разряды.

Как только эти электроны высвобождаются в лидере молнии, они ускоряются электрическим полем и сталкиваются с молекулами, освобождая больше электронов. Этот процесс продолжается, очень быстро создавая все больше и больше электронов в том, что Паско описывает как «электронную лавину».

Ионизирующее рентгеновское излучение

Когда электроны сталкиваются с молекулами, часть энергии, теряемой электронами, излучается в виде рентгеновских лучей. Эти рентгеновские лучи распространяются во всех направлениях, в том числе и обратно по пути электронной лавины. В результате рентгеновские лучи могут ионизировать больше молекул перед лавиной, высвобождая больше электронов и делая TGF еще ярче.

После того, как эта первоначальная модель была создана в начале 2000-х годов, исследователи попытались воссоздать поведение в компьютерном моделировании. Однако до сих пор этим симуляциям не удавалось точно имитировать размеры TGF, наблюдаемые при реальных ударах молнии.

Пасько и его коллеги считают, что этот недостаток успеха связан с относительно большим размером этих симуляций, которые обычно моделируют регионы диаметром в несколько километров. Однако эта последняя работа предполагает, что TGF обычно образуются в очень компактных областях (размером от 10 до 100 м), окружающих вершины лидеров молний. До сих пор причины такой компактности в значительной степени оставались загадкой.

Минимальный порог

В своем исследовании исследователи предположили, что TGF образуются только тогда, когда сила электрического поля лидера молнии превышает минимальное пороговое значение. Смоделировав более компактные области пространства, Паско и его коллеги смогли определить этот порог. Более того, TGF, полученные таким образом, гораздо лучше соответствовали реальным наблюдениям, чем предыдущие симуляции.

Молния создает радиоактивные изотопы

Паско и его коллеги надеются, что будущие симуляции смогут более точно имитировать механизм электронной лавины TGF, что может привести к новым методам получения рентгеновских лучей в лаборатории. «При наличии электродов тот же механизм усиления и производства рентгеновского излучения может включать генерацию убегающих электронов из материала катода», — объясняет Паско.

В конечном итоге это может привести к более глубокому пониманию того, как рентгеновские лучи могут быть получены с помощью контролируемых электрических разрядов в газах. Это может привести к созданию компактных высокоэффективных источников рентгеновского излучения. Паско заключает: «Мы ожидаем много новых и интересных исследований по изучению различных электродных материалов, а также режимов и составов давления газа, которые приведут к увеличению производства рентгеновского излучения при малых объемах разряда».

Работа описана в Журнале Geophysical Research Letters.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• ПлатонАйСтрим. Анализ данных Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• Чеканка будущего с Эдриенн Эшли. Доступ здесь.
• Покупайте и продавайте акции компаний PREIPO® с помощью PREIPO®. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/threshold-for-x-ray-flashes-from-lightning-is-identified-by-simulations/