Ngưỡng cho tia X lóe lên từ sét được xác định bằng mô phỏng

Ngưỡng cho tia X lóe lên từ sét được xác định bằng mô phỏng

Dấu thời gian: 9:2023 sáng ngày 9 tháng 26 năm XNUMX

Các nhà nghiên cứu sét
Các nhà nghiên cứu về sét: Reza Janalizadeh (trái) và Victor Pasko đã thực hiện mô phỏng trên máy tính về cách tia X được tạo ra bởi sét. (Được phép: Jeff Xu/Penn State)

Những hiểu biết mới về cách tạo ra tia X khi bị sét đánh đã được các nhà nghiên cứu ở Mỹ, Pháp và Cộng hòa Séc thực hiện. Sử dụng mô phỏng máy tính, một nhóm do Victor Pasko tại Đại học bang Pennsylvania đã chứng minh làm thế nào các dòng điện tử gây ra chớp sáng được kích hoạt ở ngưỡng tối thiểu mà điện trường tạo ra do tiền thân của sét. Khám phá này có thể dẫn đến sự phát triển các kỹ thuật mới để tạo ra tia X trong phòng thí nghiệm.

Các tia chớp gamma trên mặt đất (TGF) liên quan đến sự phát xạ các photon năng lượng cao từ các nguồn trong bầu khí quyển Trái đất. Trong khi thuật ngữ tia gamma được sử dụng, hầu hết các photon được tạo ra bởi sự gia tốc của các electron và do đó là tia X.

Những tia X này được phát ra trong dải năng lượng megaelectronvolt và việc tạo ra chúng có liên quan chặt chẽ với sét. Mặc dù TGF rất hiếm và cực kỳ ngắn nhưng hiện nay chúng thường xuyên được quan sát bởi các thiết bị phát hiện tia gamma từ không gian.

Kính viễn vọng không gian

Pasko giải thích: “TGF được phát hiện vào năm 1994 bởi Đài thiên văn Tia Gamma Compton của NASA. “Kể từ đó, nhiều đài quan sát quỹ đạo khác đã ghi lại được những sự kiện năng lượng cao này, bao gồm cả Kính viễn vọng Không gian tia Gamma Fermi của NASA.”

Sau khám phá ban đầu của họ, nguồn gốc của TGF được liên kết với các electron được giải phóng khỏi các phân tử không khí bằng điện trường cực mạnh của “các tia sét dẫn đầu”. Đây là những kênh không khí bị ion hóa hình thành giữa nền mây tích điện âm và mặt đất tích điện dương. Như tên cho thấy, việc tạo ra các tia sét dẫn đầu ngay sau đó là sự phóng điện của sét.

Khi các electron này được giải phóng trong tia sét dẫn đầu, chúng sẽ được gia tốc bởi điện trường và va chạm với các phân tử để giải phóng nhiều electron hơn. Quá trình này tiếp tục, nhanh chóng tạo ra ngày càng nhiều electron theo cái mà Pasko mô tả là “trận tuyết lở điện tử”.

Tia X ion hóa

Khi các electron va chạm với các phân tử, một phần năng lượng bị mất đi của các electron sẽ được bức xạ dưới dạng tia X. Những tia X này di chuyển theo mọi hướng – kể cả quay ngược lại dọc theo đường đi của trận tuyết lở điện tử. Kết quả là, tia X có thể ion hóa nhiều phân tử ngược dòng hơn từ trận tuyết lở, giải phóng nhiều electron hơn và làm cho TGF thậm chí còn sáng hơn.

Sau khi mô hình ban đầu này được hình thành vào đầu những năm 2000, các nhà nghiên cứu đã cố gắng tái tạo lại hành vi trong mô phỏng máy tính. Tuy nhiên, cho đến nay, những mô phỏng này vẫn chưa thể mô phỏng gần giống kích thước của TGF được quan sát thấy trong các vụ sét đánh thực sự.

Pasko và các đồng nghiệp tin rằng sự thiếu thành công này có liên quan đến quy mô tương đối lớn của những mô phỏng này, thường mô hình hóa các khu vực có chiều ngang vài km. Tuy nhiên, công trình mới nhất này cho thấy rằng TGF thường hình thành ở những vùng rất nhỏ gọn (có kích thước từ 10–100 m) xung quanh đỉnh của các tia sét dẫn đầu. Cho đến nay, những lý do xung quanh sự nhỏ gọn này phần lớn vẫn còn là một bí ẩn.

Ngưỡng tối thiểu

Trong nghiên cứu của mình, các nhà nghiên cứu cho rằng TGF chỉ hình thành khi cường độ điện trường của tia sét vượt quá giá trị ngưỡng tối thiểu. Bằng cách mô phỏng các vùng không gian nhỏ gọn hơn, Pasko và các đồng nghiệp đã có thể xác định được ngưỡng này. Hơn nữa, các TGF được tạo ra theo cách này khớp với các quan sát thực tế chặt chẽ hơn nhiều so với các mô phỏng trước đó.

Pasko và các đồng nghiệp hy vọng rằng các mô phỏng trong tương lai có thể bắt chước cơ chế tuyết lở electron TGF chặt chẽ hơn nhiều – có khả năng dẫn tới những kĩ thuật mới tạo ra tia X trong phòng thí nghiệm. Pasko giải thích: “Với sự có mặt của các điện cực, cơ chế khuếch đại và tạo ra tia X tương tự có thể liên quan đến việc tạo ra các electron thoát ra khỏi vật liệu cực âm”.

Cuối cùng, điều này có thể dẫn đến những hiểu biết sâu sắc hơn về cách tia X có thể được tạo ra thông qua sự phóng điện có kiểm soát trong chất khí. Điều này có thể dẫn đến các nguồn tia X nhỏ gọn, hiệu quả cao. Pasko kết luận, “chúng tôi dự đoán sẽ có nhiều nghiên cứu mới và thú vị để khám phá các vật liệu điện cực khác nhau, cũng như các chế độ và thành phần áp suất khí sẽ dẫn đến tăng cường khả năng tạo ra tia X từ lượng phóng điện nhỏ”.

Công việc được mô tả trong Geophysical Research Letters.

Dấu thời gian:

Thêm từ Thế giới vật lý