Поріг для рентгенівських спалахів від блискавки визначається шляхом моделювання

Нове розуміння того, як рентгенівські спалахи утворюються під час ударів блискавки, зробили дослідники зі США, Франції та Чехії. Використовуючи комп’ютерне моделювання, команда під керівництвом Віктор Пасько в Університеті штату Пенсільванія показали, як лавини електронів, відповідальні за спалахи, запускаються при мінімальному порозі електричних полів, створених попередником блискавки. Це відкриття може призвести до розробки нових методів отримання рентгенівських променів у лабораторії.

Спалахи земного гамма-випромінювання (TGF) включають випромінювання фотонів високої енергії з джерел в атмосфері Землі. У той час як використовується термін гамма-випромінювання, більшість фотонів утворюється прискоренням електронів і тому є рентгенівськими променями.

Ці рентгенівські промені випромінюються в діапазоні енергії мегаелектронвольт, і їх створення тісно пов’язане з блискавкою. Хоча TGF є рідкісними та неймовірно короткими, тепер вони регулярно спостерігаються інструментами, які виявляють гамма-промені з космосу.

Космічні телескопи

«TGF були відкриті в 1994 році обсерваторією гамма-променів Комптона НАСА», — пояснює Пасько. «З тих пір багато інших орбітальних обсерваторій фіксували ці високоенергетичні події, включаючи космічний гамма-телескоп НАСА Фермі».

Після їх першого відкриття походження TGF було пов’язане з електронами, які вивільняються з молекул повітря інтенсивними електричними полями «лідерів блискавок». Це канали іонізованого повітря, які утворюються між негативно зарядженою хмарою та позитивно зарядженою землею. Як випливає з назви, створення лідерів блискавок незабаром супроводжується грозовими розрядами.

Коли ці електрони звільняються в лідері блискавки, вони прискорюються електричним полем і стикаються з молекулами, щоб вивільнити більше електронів. Цей процес триває, дуже швидко створюючи все більше і більше електронів у тому, що Пасько описує як «електронну лавину».

Іонізуючі рентгенівські промені

Коли електрони стикаються з молекулами, частина втраченої електронами енергії випромінюється у формі рентгенівського випромінювання. Ці рентгенівські промені поширюються в усіх напрямках, у тому числі назад по шляху електронної лавини. У результаті рентгенівське випромінювання може іонізувати більше молекул вище за течією лавини, звільняючи більше електронів і роблячи TGF ще яскравішими.

Після того, як ця початкова модель була задумана на початку 2000-х років, дослідники спробували відтворити поведінку в комп’ютерному моделюванні. Однак до цих пір цим моделюванням не вдалося точно імітувати розміри TGF, які спостерігаються при справжніх ударах блискавки.

Пасько та його колеги вважають, що ця відсутність успіху пов'язана з відносно великим розміром цих симуляцій, які зазвичай моделюють регіони шириною в кілька кілометрів. Однак ця остання робота показує, що TGF зазвичай утворюються в дуже компактних регіонах (розміром від 10 до 100 м), які оточують кінчики блискавок. Досі причини такої компактності залишалися загадкою.

Мінімальний поріг

У своєму дослідженні дослідники припустили, що TGF утворюються лише тоді, коли сила електричного поля лідера блискавки перевищує мінімальне порогове значення. Моделюючи більш компактні області простору, Пасько та його колеги змогли визначити цей поріг. Більше того, отримані таким чином TGF набагато точніше відповідають реальним спостереженням, ніж попередні симуляції.

Блискавка створює радіоактивні ізотопи

Пасько та його колеги сподіваються, що майбутнє моделювання зможе набагато точніше імітувати механізм електронної лавини TGF, що потенційно призведе до нових методів отримання рентгенівських променів у лабораторії. «За наявності електродів той самий механізм посилення та створення рентгенівського випромінювання може передбачати генерацію електронів, що біжать, із матеріалу катода», — пояснює Пасько.

Зрештою, це може призвести до глибшого розуміння того, як рентгенівські промені можуть вироблятися за допомогою контрольованих електричних розрядів у газах. Це може призвести до створення компактних високоефективних джерел рентгенівського випромінювання. Пасько підсумовує: «Ми очікуємо багато нових і цікавих досліджень для вивчення різних матеріалів електродів, а також режимів тиску газу та складів, які призведуть до покращеного виробництва рентгенівського випромінювання від малих об’ємів розряду».

Робота описана в Geophysical Research Letters.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• Карбування майбутнього з Адріенн Ешлі. Доступ тут.
• Купуйте та продавайте акції компаній, які вийшли на IPO, за допомогою PREIPO®. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/threshold-for-x-ray-flashes-from-lightning-is-identified-by-simulations/