Mathematisches Modell liefert Erkenntnisse für von Blitzen erzeugte Röntgenstrahlen

In den frühen 2000er Jahren beobachteten Wissenschaftler, dass Blitzentladungen Röntgenstrahlen mit hochenergetischen Photonen erzeugten – derselbe Typ, der für die medizinische Bildgebung verwendet wird. Forscher konnten dieses Phänomen im Labor nachstellen, aber sie konnten nicht vollständig erklären, wie und warum Blitze Röntgenstrahlen erzeugten. Jetzt, zwei Jahrzehnte später, hat ein von der Penn State geführtes Team einen neuen physikalischen Mechanismus entdeckt, der die natürlich vorkommenden Röntgenstrahlen erklärt, die mit der Blitzaktivität in der Erdatmosphäre verbunden sind.

Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse am 30. März in Geophysikalische Forschungsbriefe.

Die Entdeckung des Teams könnte auch Licht auf ein anderes Phänomen werfen: den kleinen Schock, den man manchmal spürt, wenn man einen Metalltürknauf berührt. Funkenentladung genannt, tritt auf, wenn eine Spannungsdifferenz zwischen einem Körper und einem Leiter entsteht. In einer Reihe von Laborexperimenten in den 1960er Jahren entdeckten Wissenschaftler, dass Funkenentladungen Röntgenstrahlen erzeugen – genau wie Blitze. Mehr als 60 Jahre später führen Wissenschaftler immer noch Laborexperimente durch, um den Mechanismus, der diesem Prozess zugrunde liegt, besser zu verstehen.

Blitze bestehen zum Teil aus relativistischen Elektronen, die spektakuläre hochenergetische Ausbrüche von Röntgenstrahlen mit einer Energie von mehreren zehn Megaelektronenvolt aussenden, die als terrestrische Gammastrahlenblitze (TGFs) bezeichnet werden. Forscher haben Simulationen und Modelle erstellt, um die TGF-Beobachtungen zu erklären, aber es gibt eine Diskrepanz zwischen simulierten und tatsächlichen Größen, so der Hauptautor Victor Pasko, Professor für Elektrotechnik an der Pennsylvania State University. Pasko und sein Team haben das TGF-Phänomen mathematisch modelliert, um besser zu verstehen, wie es im beobachteten kompakten Raum auftreten kann.

„Die Simulationen sind alle sehr groß – normalerweise mehrere Kilometer breit – und die Gemeinschaft hat derzeit Schwierigkeiten, dies mit tatsächlichen Beobachtungen in Einklang zu bringen, denn wenn sich ein Blitz ausbreitet, ist er sehr kompakt“, sagte Pasko und erklärte, dass der Weltraumkanal eines Blitzes typischerweise mehrere Zentimeter groß ist , wobei die elektrische Entladungsaktivität Röntgenstrahlen erzeugt, die sich in Extremfällen um die Spitzen dieser Kanäle bis zu 100 Meter ausdehnen. „Warum ist diese Quelle so kompakt? Das war bisher ein Rätsel. Da wir mit sehr kleinen Volumina arbeiten, könnte dies auch Auswirkungen auf die seit den 1960er Jahren laufenden Laborexperimente mit Funkenentladungen haben.“

Pasko sagte, dass sie die Erklärung dafür entwickelt haben, wie ein elektrisches Feld die Anzahl der Elektronen verstärkt und das Phänomen antreibt. Die Elektronen streuen an einzelnen Atomen, die die Luft bilden, wenn sie eine Beschleunigung erfahren. Während sich die Elektronen bewegen, bewegen sich die meisten von ihnen vorwärts, während sie Energie gewinnen und sich vermehren, ähnlich wie bei einer Schneelawine, wodurch sie mehr Elektronen produzieren können. Wenn die Elektronen eine Lawine überfluten, erzeugen sie Röntgenstrahlen, die die Photonen zurückschicken und neue Elektronen erzeugen.

„Von da an wollten wir die Frage mathematisch beantworten: „Was ist das elektrische Feld, das Sie anlegen müssen, um dies einfach zu replizieren, um gerade genug Röntgenstrahlen rückwärts zu senden, um eine Verstärkung dieser ausgewählten Elektronen zu ermöglichen?“, sagte Pasko .

Die mathematische Modellierung legte laut Pasko einen Schwellenwert für das elektrische Feld fest, der den Rückkopplungsmechanismus bestätigte, der die Elektronenlawinen verstärkt, wenn die von den Elektronen emittierten Röntgenstrahlen rückwärts wandern und neue Elektronen erzeugen.

„Die Modellergebnisse stimmen mit den Beobachtungen und experimentellen Beweisen überein, die darauf hindeuten, dass TGFs aus relativ kompakten Regionen des Weltraums mit einer räumlichen Ausdehnung in der Größenordnung von 10 bis 100 Metern stammen“, sagte Pasko.

Neben der Beschreibung hochenergetischer Phänomene im Zusammenhang mit Blitzen sagte Pasko, dass die Arbeit schließlich dazu beitragen könnte, neue Röntgenquellen zu entwerfen. Die Forscher sagten, sie planen, den Mechanismus mit verschiedenen Materialien und Gasen sowie verschiedenen Anwendungen ihrer Ergebnisse zu untersuchen.