На сайте Phys.org размещена интересная статья "Mathematical model provides bolt of understanding for lightning-produced X-rays" - "Математическая модель дает представление о рентгеновских лучах, производимых молнией".

В начале 2000-х годов ученые наблюдали разряд молнии, производящий рентгеновское излучение, состоящее из фотонов высокой энергии — того же типа, который используется для медицинской визуализации. Исследователи смогли воссоздать это явление в лаборатории, но не смогли полностью объяснить, как и почему молния производит рентгеновские лучи. Теперь, два десятилетия спустя, группа под руководством ученых Университета штата Пенсильвания (США) открыла новый физический механизм, объясняющий естественное рентгеновское излучение, связанное с молниеносной активностью в атмосфере Земли.

Находка команды может также пролить свет на другое явление: небольшой толчок, который иногда ощущается при прикосновении к металлической дверной ручке. Искровой разряд возникает, когда между телом и проводником создается разность потенциалов. В ходе серии лабораторных экспериментов в 1960-х годах ученые обнаружили, что искровые разряды производят рентгеновское излучение — так же, как и молния. Более 60 лет спустя ученые все еще проводят лабораторные эксперименты, чтобы лучше понять механизм, лежащий в основе этого процесса.

Молния частично состоит из релятивистских электронов, которые испускают высокоэнергетические вспышки рентгеновского излучения с энергией в десятки мегаэлектронвольт, называемые земными гамма-вспышками (terrestrial gamma-ray flashes - TGF). Исследователи создали модели для объяснения наблюдения TGF, чтобы лучше понять, как оно может происходить в наблюдаемом компактном пространстве.

Учение разработали объяснение того, как электрическое поле увеличивает количество электронов, вызывая молнию. Электроны разлетаются из отдельных атомов, составляющих воздух, поскольку испытывают ускорение. Когда электроны движутся, большинство из них движутся вперед по мере того, как они набирают энергию. Их количество увеличивается по мере прохождения подобно снежной лавине. Они производят рентгеновские лучи, которые отбрасывают фотоны назад и производят новые электроны.

Вопрос, на который получен математический ответ: «Какое электрическое поле нужно приложить, чтобы просто воспроизвести это и чтобы запустить ровно столько рентгеновских лучей назад, чтобы обеспечить усиление этих избранных электронов?».

Математическое моделирование установило порог для электрического поля, что подтвердило механизм обратной связи, который усиливает электронные лавины, когда рентгеновские лучи, испускаемые электронами, движутся назад и генерируют новые электроны. Результаты моделирования согласуются с наблюдениями и экспериментальными данными, указывающими на то, что TGF происходят из относительно компактных областей пространства с пространственной протяженностью порядка 10–100 метров.

Работа может в конечном итоге помочь в разработке новых источников рентгеновского излучения. Исследователи заявили, что планируют изучить механизм, используя различные материалы и газы, а также различные приложения своих открытий.

Ссылка на публикацию в свободном доступе:

V. P. Pasko et al, Conditions for Inception of Relativistic Runaway Discharges in Air, Geophysical Research Letters (2023). DOI: 10.1029/2022GL102710.