Prag za rentgenske bliske zaradi strele je določen s simulacijami

Prag za rentgenske bliske zaradi strele je določen s simulacijami

Časovni žig: 9. maj 2023 9:26

Raziskovalci strele
Raziskovalca strele: Reza Jananalizadeh (levo) in Victor Pasko sta naredila računalniške simulacije, kako strela ustvari rentgenske žarke. (Z dovoljenjem: Jeff Xu/Penn State)

Raziskovalci v ZDA, Franciji in na Češkem so prišli do novih spoznanj o tem, kako med udarom strele nastanejo rentgenski bliski. Z uporabo računalniških simulacij je ekipa pod vodstvom Viktor Pasko na univerzi Penn State je pokazal, kako se plazovi elektronov, ki so odgovorni za bliske, sprožijo pri minimalnem pragu električnih polj, ki jih proizvaja predhodnik strele. To odkritje bi lahko pripeljalo do razvoja novih tehnik za izdelavo rentgenskih žarkov v laboratoriju.

Zemeljski bliski gama žarkov (TGF) vključujejo emisijo visokoenergijskih fotonov iz virov v Zemljinem ozračju. Čeprav se uporablja izraz gama žarki, večina fotonov nastane s pospeševanjem elektronov in so zato rentgenski žarki.

Ti rentgenski žarki se oddajajo v območju megaelektronvoltov, njihov nastanek pa je tesno povezan s strelo. Čeprav so TGF redki in neverjetno kratki, jih zdaj redno opazujejo instrumenti, ki zaznavajo žarke gama iz vesolja.

Vesoljski teleskopi

"TGF je leta 1994 odkril Nasin Comptonov observatorij žarkov gama," pojasnjuje Pasko. "Od takrat so številni drugi orbitalni observatoriji ujeli te visokoenergijske dogodke, vključno z Nasinim Fermijevim vesoljskim teleskopom za žarke gama."

Po njihovem začetnem odkritju je bil izvor TGF povezan z elektroni, ki se sproščajo iz molekul zraka z intenzivnimi električnimi polji "vodilcev strele". To so kanali ioniziranega zraka, ki nastanejo med negativno nabitimi oblaki in pozitivno nabitimi tlemi. Kot že ime pove, nastanku vodnikov strele kmalu sledijo razelektritve strele.

Ko se ti elektroni sprostijo v vodilu strele, jih električno polje pospeši in trčijo z molekulami, da sprostijo več elektronov. Ta proces se nadaljuje in zelo hitro ustvarja vedno več elektronov v tem, kar Pasko opisuje kot "elektronski plaz".

Ionizirajoči rentgenski žarki

Ko elektroni trčijo z molekulami, se nekaj energije, ki jo izgubijo elektroni, seva v obliki rentgenskih žarkov. Ti rentgenski žarki potujejo v vse smeri – tudi nazaj po poti elektronskega plazu. Posledično lahko rentgenski žarki ionizirajo več molekul navzgor od plazu, sprostijo več elektronov in naredijo TGF še svetlejše.

Potem ko je bil ta začetni model zasnovan v zgodnjih 2000-ih, so raziskovalci poskušali poustvariti vedenje v računalniških simulacijah. Vendar do zdaj tem simulacijam ni uspelo natančno posnemati velikosti TGF, opaženih pri resničnih udarih strele.

Pasko in sodelavci menijo, da je ta neuspeh povezan z razmeroma veliko velikostjo teh simulacij, ki običajno modelirajo regije, ki merijo več kilometrov. Vendar pa to zadnje delo kaže, da se TGF običajno oblikujejo v zelo kompaktnih regijah (velikih od 10 do 100 m), ki obdajajo konice vodil strele. Do zdaj so razlogi za to kompaktnost večinoma ostali skrivnost.

Najnižji prag

V svoji študiji so raziskovalci domnevali, da se TGF tvorijo le, ko jakost električnega polja vodje strele preseže minimalno mejno vrednost. S simulacijo bolj kompaktnih regij prostora so Pasko in njegovi sodelavci lahko identificirali ta prag. Še več, TGF-ji, proizvedeni na ta način, so se veliko bolj ujemali z resničnimi opazovanji kot prejšnje simulacije.

Pasko in sodelavci upajo, da bi lahko prihodnje simulacije veliko bolj posnemale mehanizem elektronskega plazu TGF – kar bi lahko vodilo do novih tehnik za izdelavo rentgenskih žarkov v laboratoriju. "V prisotnosti elektrod lahko isti mehanizem ojačanja in proizvodnja rentgenskih žarkov vključujeta generiranje ubežnih elektronov iz katodnega materiala," pojasnjuje Pasko.

Navsezadnje bi to lahko vodilo do globljega vpogleda v to, kako je mogoče rentgenske žarke proizvesti z nadzorovanimi električnimi razelektritvami v plinih. To bi lahko vodilo do kompaktnih, zelo učinkovitih virov rentgenskih žarkov. Pasko zaključuje, "predvidevamo veliko novih in zanimivih raziskav za raziskovanje različnih materialov elektrod, pa tudi režimov in sestav tlaka plina, ki bi vodili do izboljšane proizvodnje rentgenskih žarkov iz majhnih količin praznjenja."

Delo je opisano v Geofizikalnih raziskav Pisma.

Časovni žig:

Več od Svet fizike