Le modèle mathématique permet une grande compréhension des rayons X produits par la foudre.

UNIVERSITY PARK, Pennsylvanie – Au début des années 2000, des scientifiques ont observé une décharge de foudre qui produisait des rayons X composés de photons de haute énergie, du même type que ceux utilisés pour l’imagerie médicale. Les chercheurs ont pu recréer ce phénomène en laboratoire, mais n’ont pas été en mesure d’expliquer pleinement comment et pourquoi les rayons ont produit des rayons X. Aujourd’hui, deux décennies plus tard, une équipe dirigée par l’État de Penn a découvert un nouveau mécanisme physique qui explique la nature Rayons X associés à l’activité de la foudre dans l’atmosphère terrestre.

Ils ont publié leurs résultats aujourd’hui (30 mars) dans Lettres d’enquête géophysique.

La découverte de l’équipe pourrait également éclairer un autre phénomène : le petit choc parfois ressenti en touchant une poignée de porte en métal. Appelée décharge par étincelle, elle se produit lorsqu’une différence de tension est créée entre un corps et un conducteur. Dans une série d’expériences en laboratoire dans les années 1960, les scientifiques ont découvert que les décharges d’étincelles produisent des rayons X, tout comme la foudre. Plus de 60 ans plus tard, les scientifiques mènent toujours des expériences en laboratoire pour mieux comprendre le mécanisme derrière ce processus.

La foudre est constituée en partie d’électrons relativistes, qui émettent des bouffées spectaculaires de rayons X de haute énergie avec des énergies de l’ordre de dizaines de méga-électronvolts appelés flashs de rayons gamma terrestres (TGF). Les chercheurs ont créé des simulations et des modèles pour expliquer les observations de TGF, mais il existe un décalage entre les tailles simulées et réelles, selon l’auteur principal Victor Pasko, professeur de génie électrique à Penn State. Pasko et son équipe ont modélisé mathématiquement le phénomène TGF pour mieux comprendre comment il peut se produire dans l’espace compact observé.

“Toutes les simulations sont très vastes, généralement de plusieurs kilomètres de diamètre, et la communauté a du mal à concilier cela pour le moment avec les observations réelles, car lorsque la foudre se propage, elle est très compacte”, a déclaré Pasko, expliquant que les rayons du canal sont généralement activés. une échelle de plusieurs centimètres. , avec une activité de décharge électrique produisant des rayons X qui se propagent autour des extrémités de ces canaux jusqu’à 100 mètres dans les cas extrêmes. « Pourquoi cette fontaine est-elle si compacte ? Cela a été un casse-tête jusqu’à présent. Puisque nous travaillons avec de très petits volumes, cela peut également avoir des implications pour les expériences de laboratoire avec des décharges d’étincelles en cours depuis les années 1960.”

Pasko a déclaré qu’ils avaient développé l’explication de la façon dont un champ électrique amplifie le nombre d’électrons, entraînant le phénomène. Les électrons sont dispersés dans des atomes individuels, qui constituent l’air, lorsqu’ils subissent une accélération. Au fur et à mesure que les électrons se déplacent, la plupart avancent à mesure qu’ils gagnent de l’énergie et se multiplient, comme une avalanche de neige, ce qui leur permet de produire plus d’électrons. Comme la ruée vers les électrons produit des rayons X, qui renvoient les photons et produisent de nouveaux électrons.

“A partir de là, la question à laquelle nous voulions répondre mathématiquement était : ‘Quel est le champ électrique que vous devez appliquer pour reproduire cela, pour renvoyer suffisamment de rayons X pour permettre l’amplification de ces électrons sélectionnés ?'”, a déclaré Pasko. .

Le modèle mathématique a établi un seuil pour le champ électrique, selon Pasko, qui a confirmé le mécanisme de rétroaction qui amplifie les avalanches d’électrons lorsque les rayons X émis par les électrons se déplacent vers l’arrière et génèrent de nouveaux électrons.