通过模拟确定闪电 X 射线闪光的阈值

美国、法国和捷克共和国的研究人员对雷击期间如何产生 X 射线闪光有了新的见解。 使用计算机模拟，由 维克多·帕斯科 在宾夕法尼亚州立大学展示了导致闪光的电子雪崩是如何在闪电前兆产生的电场的最小阈值下触发的。 这一发现可能会导致在实验室中产生 X 射线的新技术的发展。

地面伽马射线闪光 (TGF) 涉及从地球大气层内的源发射高能光子。 虽然使用术语伽马射线，但大多数光子是由电子加速产生的，因此是 X 射线。

这些 X 射线在兆电子伏特能量范围内发射，它们的产生与闪电密切相关。 尽管 TGF 非常罕见且极其短暂，但现在它们经常被从太空探测伽马射线的仪器观测到。

太空望远镜

“TGF 于 1994 年由 NASA 的康普顿伽马射线天文台发现，”Pasko 解释道。 “从那时起，许多其他轨道天文台都捕捉到了这些高能事件，包括美国宇航局的费米伽马射线太空望远镜。”

在他们最初发现之后，TGF 的起源与“闪电先导”的强电场从空气分子中释放出的电子有关。 这些是在带负电的云层和带正电的地面之间形成的电离空气通道。 顾名思义，闪电先导的产生紧随其后的是闪电放电。

一旦这些电子在闪电先导中被释放，它们就会被电场加速并与分子碰撞以释放更多电子。 这个过程继续进行，在 Pasko 描述的“电子雪崩”中非常迅速地产生越来越多的电子。

电离 X 射线

当电子与分子碰撞时，电子损失的一些能量以 X 射线的形式辐射出去。 这些 X 射线向各个方向传播——包括沿着电子雪崩的路径返回。 结果，X 射线可以电离雪崩上游的更多分子，释放更多电子并使 TGF 更亮。

在 2000 年代初期构思出这个初始模型后，研究人员试图在计算机模拟中重现这种行为。 然而，到目前为止，这些模拟还没有成功地模拟在真实雷击中观察到的 TGF 的大小。

Pasko 及其同事认为，这种不成功与这些模拟的规模相对较大有关，这些模拟通常模拟几公里宽的区域。 然而，这项最新研究表明，TGF 通常在闪电先导尖端周围的高度紧凑区域（大小范围为 10-100 m）形成。 直到现在，围绕这种紧凑性的原因在很大程度上仍然是个谜。

最低门槛

在他们的研究中，研究人员假设只有当闪电先导的电场强度超过最小阈值时，TGF 才会形成。 通过模拟更紧凑的空间区域，帕斯科和同事们能够确定这个阈值。 更重要的是，以这种方式产生的 TGF 比以前的模拟更接近真实观察。

闪电产生放射性同位素

Pasko 及其同事希望未来的模拟能够更紧密地模拟 TGF 电子雪崩机制——可能会导致在实验室中产生 X 射线的新技术。 “在有电极的情况下，相同的放大机制和 X 射线的产生可能涉及从阴极材料产生失控电子，”Pasko 解释道。

最终，这可能会导致更深入地了解如何通过气体中受控的放电来产生 X 射线。 这可能会导致紧凑、高效的 X 射线源。 Pasko 总结道：“我们预计会有很多有趣的新研究来探索不同的电极材料，以及气体压力状态和成分，这将导致从小放电量中增强 X 射线的产生。”

作品描述于 地球物理研究快报.

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• Sumber: https://physicsworld.com/a/threshold-for-x-ray-flashes-from-lightning-is-identified-by-simulations/