Tröskeln för röntgenblixtar från blixtar identifieras genom simuleringar

Nya insikter om hur röntgenblixtar produceras under blixtnedslag har gjorts av forskare i USA, Frankrike och Tjeckien. Med hjälp av datorsimuleringar, ett team ledd av Victor Pasko vid Penn State University visade hur laviner av elektroner som är ansvariga för blixtarna utlöses vid en lägsta tröskel för de elektriska fält som produceras av föregångaren till blixten. Denna upptäckt kan leda till utvecklingen av nya tekniker för att producera röntgenstrålar i labbet.

Terrestra gammastrålningsblixtar (TGF) involverar emission av högenergifotoner från källor i jordens atmosfär. Medan termen gammastrålning används, skapas de flesta fotoner av elektronernas acceleration och är därför röntgenstrålar.

Dessa röntgenstrålar sänds ut i megaelektronvoltsenergiområdet och deras skapelse är nära förknippad med blixtar. Även om TGF är sällsynta och otroligt korta, observeras de nu regelbundet av instrument som upptäcker gammastrålar från rymden.

Rymdteleskop

"TGF:er upptäcktes 1994 av NASA:s Compton Gamma Ray Observatory," förklarar Pasko. "Sedan dess har många andra orbitala observatorier fångat dessa högenergihändelser, inklusive NASA:s Fermi Gamma-ray Space Telescope."

Efter deras första upptäckt kopplades ursprunget till TGF:er till elektroner som frigörs från luftmolekyler av de intensiva elektriska fälten från "blixtledare". Dessa är kanaler av joniserad luft som bildas mellan en negativt laddad molnbas och den positivt laddade marken. Som namnet antyder följs skapandet av blixtledare inom kort av blixtarladdningar.

När dessa elektroner väl har frigjorts i en blixtledare, accelereras de av det elektriska fältet och kolliderar med molekyler för att frigöra fler elektroner. Denna process fortsätter och skapar mycket snabbt fler och fler elektroner i vad Pasko beskriver en "elektronlavin".

Joniserande röntgenstrålar

När elektronerna kolliderar med molekyler utstrålas en del av den energi som förloras av elektronerna i form av röntgenstrålar. Dessa röntgenstrålar färdas i alla riktningar – inklusive tillbaka längs elektronlavinen. Som ett resultat kan röntgenstrålarna jonisera fler molekyler uppströms från lavinen, frigöra fler elektroner och göra TGF:erna ännu ljusare.

Efter att denna första modell skapades i början av 2000-talet, försökte forskare återskapa beteendet i datorsimuleringar. Hittills har dock dessa simuleringar inte lyckats efterlikna storleken på TGF:er som observerats i riktiga blixtnedslag.

Pasko och kollegor tror att denna bristande framgång är relaterad till den relativt stora storleken på dessa simuleringar, som vanligtvis modellerar regioner som är flera kilometer tvärs över. Detta senaste arbete tyder dock på att TGF vanligtvis bildas i mycket kompakta områden (som sträcker sig från 10–100 m i storlek) som omger spetsarna på blixtledare. Fram till nu har orsakerna kring denna kompakthet till stor del förblivit ett mysterium.

Lägsta tröskel

I sin studie antog forskarna att TGF bara bildas när styrkan på blixtledarens elektriska fält överstiger ett lägsta tröskelvärde. Genom att simulera mer kompakta områden i rymden kunde Pasko och kollegor identifiera denna tröskel. Dessutom matchade de TGF som producerades på detta sätt verkliga observationer mycket närmare än tidigare simuleringar.

Blixten skapar radioaktiva isotoper

Pasko och kollegor hoppas att framtida simuleringar kan efterlikna TGF-elektronlavinmekanismen mycket närmare - vilket potentiellt kan leda till nya tekniker för att producera röntgenstrålar i labbet. "I närvaro av elektroder kan samma förstärkningsmekanism och röntgenproduktion involvera generering av skenande elektroner från katodmaterialet", förklarar Pasko.

I slutändan kan detta leda till djupare insikter om hur röntgenstrålning kan produceras genom kontrollerade elektriska urladdningar i gaser. Detta kan leda till kompakta, högeffektiva röntgenkällor. Pasko avslutar, "vi förväntar oss en hel del ny och intressant forskning för att utforska olika elektrodmaterial, såväl som gastrycksregimer och kompositioner som skulle leda till förbättrad röntgenproduktion från små urladdningsvolymer."

Arbetet beskrivs i Geophysical Research Letters.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Minting the Future med Adryenn Ashley. Tillgång här.
• Köp och sälj aktier i PRE-IPO-företag med PREIPO®. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/threshold-for-x-ray-flashes-from-lightning-is-identified-by-simulations/