Die gleichen hochenergetischen Photonen, die durch Blitzentladungen erzeugt und in der medizinischen Bildgebung verwendet werden, wurden Anfang der 2000er Jahre von Wissenschaftlern entdeckt. Obwohl Wissenschaftler dieses Phänomen im Labor replizieren konnten, konnten sie nicht vollständig erklären, wie und warum Blitze Röntgenstrahlen erzeugen. Jetzt, zwei Jahrzehnte später, hat ein von der Penn State geführtes Team einen neuen physikalischen Mechanismus gefunden, der erklärt, wie Röntgenstrahlen, die mit Blitzaktivität verbunden sind, auf natürliche Weise in der Erdatmosphäre auftreten.
Am 30. März veröffentlichten Geophysical Research Letters ihre Forschungsergebnisse.
Die Entdeckung des Teams könnte auch Licht auf ein anderes Phänomen werfen, wie zum Beispiel den gelegentlichen kurzen Schock, wenn eine Metalltürklinke berührt wird. Wenn ein Objekt und ein Leiter einer Spannungsdifferenz ausgesetzt werden, tritt ein Phänomen auf, das als Funkenentladung bekannt ist. In einer Reihe von Labortests, die in den 1960er Jahren durchgeführt wurden, fanden Forscher heraus, dass Funkenentladungen Röntgenstrahlen wie Blitze aussenden. Mehr als 60 Jahre später arbeiten Wissenschaftler immer noch im Labor daran, den Mechanismus, der diesem Prozess zugrunde liegt, besser zu verstehen.
Hochenergetische Röntgenblitze
Relativistische Elektronen, eine Komponente von Blitzen, erzeugen atemberaubende Ausbrüche hochenergetischer Röntgenstrahlen mit Energien von mehreren zehn Megaelektronenvolt, die als terrestrische Gammastrahlenblitze (TGFs) bekannt sind. Während Simulationen und Modelle entwickelt wurden, um die TGF-Beobachtungen zu erklären, argumentiert Hauptautor Victor Pasko, Professor für Elektrotechnik an der Penn State, dass es eine Diskrepanz zwischen den simulierten und realen Dimensionen gibt. Um besser zu verstehen, wie das TGF-Phänomen im beobachteten kompakten Raum auftreten kann, entwickelten Pasko und sein Team ein mathematisches Modell.
Pasko erklärte, dass der Weltraumkanal von Blitzen normalerweise nur wenige Zentimeter groß ist, elektrische Entladungsaktivitäten Röntgenstrahlen um die Enden dieser Kanäle erzeugen, die sich in extremen Fällen bis zu 100 Meter ausdehnen, und weil sich Blitze so kompakt ausbreiten, hat die Gemeinschaft dies derzeit Schwierigkeiten, dies mit tatsächlichen Beobachtungen in Einklang zu bringen. „Wie ist diese Ressource so klein? Dies war bisher ein Rätsel. Da wir es mit sehr kleinen Volumina zu tun haben, kann es auch zu Laborarbeiten mit Funkenentladungen kommen, die es seit den 1960er Jahren gibt.
Pasko behauptete, sie hätten eine Theorie entwickelt, um zu erklären, wie dieses Phänomen durch ein elektrisches Feld verursacht wird, das die Menge an Elektronen erhöht. Wenn die Elektronen beschleunigen, werden sie über die Atome gestreut, aus denen die Luft besteht. Wie eine Schneelawine rücken die meisten Elektronen vor und vermehren sich, während sie Energie gewinnen, wodurch sie mehr Elektronen erzeugen können. Die Elektronenlawine erzeugt Röntgenstrahlen, die die Photonen zurückdrängen und neue Elektronen freisetzen.
Die nächste Frage war: "Was ist das elektrische Feld, das Sie anlegen müssen, um dies zu replizieren, damit der Röntgenstrahl so weit zurückgeworfen wird, dass sich diese ausgewählten Elektronen vervielfachen?"
Laut Pasko hat die mathematische Modellierung eine elektrische Feldschwelle geschaffen, die den Rückkopplungsprozess bestätigt, der Elektronenlawinen verstärkt, wenn sich die Röntgenstrahlen der Elektronen rückwärts bewegen und neue Elektronen erzeugen.
Laut Pasko „stimmen die Modellergebnisse mit Beobachtungs- und experimentellen Daten überein, die zeigen, dass TGFs aus relativ kompakten Regionen des Weltraums mit räumlichen Breiten zwischen 10 und 100 Metern stammen.“
Laut Pasko könnte die Forschung dazu beitragen, mit Blitzen verbundene hochenergetische Ereignisse zu identifizieren und neue Röntgenquellen zu entwickeln. Nach Angaben der Forscher wollen sie den Mechanismus mit verschiedenen Materialien und Gasen testen und ihre Ergebnisse in verschiedenen Zusammenhängen anwenden.
Quelle: phys.org/news
📩 03/04/2023 12:41