Flash de raios gama terrestre

Impressão do artista: Flash de raios gama e fenômenos relacionados.

Explosões terrestres ( flash de raios gama terrestre inglês , TGF ) são explosões de radiação eletromagnética de alta energia ( radiação gama ) na atmosfera, em contraste com outras explosões de raios gama . Os TGFs foram registrados com uma duração de 0,2 a 3,5  ms e energias de até 20  MeV . Acredita-se que sejam causados ​​por campos elétricos no topo das nuvens de tempestade .

descoberta

Explosões de raios gama terrestres foram descobertas pela primeira vez em 1994 pelo BATSE ( Burst and Transient Source Experiment ) do Compton Gamma Ray Observatory , uma nave espacial da NASA.

Outro estudo da Universidade de Stanford em 1996 foi capaz de atribuir um TGF a um relâmpago individual que ocorreu simultaneamente com o TGF em alguns milissegundos. O BATSE só foi capaz de registrar um pequeno número de eventos de TGF em nove anos porque foi originalmente projetado para pesquisas em explosões de raios gama extraterrestres de longa duração.

O satélite RHESSI mais recente observou TGFs com energias muito maiores do que as registradas pela BATSE. Além disso, novas observações mostram que cerca de cinquenta TGFs ocorrem todos os dias, mais do que se pensava anteriormente, mas apenas uma fração muito pequena do total de relâmpagos de tempestades que ocorrem na Terra (3-4 milhões de raios em média por dia). No entanto, o número pode ser muito maior se os flashes de raios gama forem emitidos na forma de um estreito cone de radiação e, portanto, difíceis de ver, ou se um grande número de TGFs surgir em baixas altitudes, de modo que os raios gama sejam absorvidos pela atmosfera antes de chegarem ao satélite.

Emergência

De acordo com a suposição predominante, os TGFs surgem do fato de que os elétrons em velocidades relativísticas (velocidades próximas à velocidade da luz ) atingem os núcleos atômicos no ar e, assim, liberam energia na forma de bremsstrahlung . Às vezes, isso também libera mais elétrons com energias relativísticas dos átomos, de modo que uma avalanche de elétrons rápidos se forma, um fenômeno conhecido como “ quebra de fuga relativística ”. Um processo no qual tanto os elétrons quanto os fótons de bremsstrahlung são liberados é o bremsstrahlung elétron-elétron: isso aumenta o número de elétrons de alta energia que podem subsequentemente gerar fótons de alta energia. Os elétrons provavelmente serão acelerados por um forte campo elétrico , mas daqui em diante há uma incerteza considerável. A descarga é presumivelmente intensificada consideravelmente pelos pósitrons , que são gerados por gama quanta por meio da formação de pares . Devido à sua carga, eles se movem na direção oposta aos elétrons e, quando colidem com as moléculas de ar, liberam elétrons adicionais, que por sua vez são acelerados novamente. Um modelo que leva esses pósitrons em consideração prevê a duração, intensidade e espectro de energia dos raios gama, que correspondem às observações dos satélites.

Algumas das explicações padrão são emprestadas de outros fenômenos de descarga relacionados a raios, os goblins descobriram alguns anos antes dos TGFs. Por exemplo, o campo pode ser causado pela separação de carga em uma nuvem de tempestade (campo DC), como é frequentemente associado ao fenômeno Kobold. Outra explicação seria o pulso eletromagnético (EMP) associado à queda de um raio , como costuma ocorrer com descargas na alta atmosfera. Há também algumas evidências de que os TGFs ocorrem na ausência de descargas atmosféricas, embora nas proximidades da atividade geral dos raios, como os chamados " jatos azuis ". No entanto, a maioria dos TGFs foi detectada alguns milissegundos antes ou depois de um evento relâmpago.

O modelo de campo DC requer uma carga muito grande da nuvem de tempestade em grandes altitudes (cerca de 50-90 km, onde os fenômenos goblin se formam). Em contraste com as aparições de goblins, essas grandes cargas aparentemente não podem ser associadas a raios que geram TGFs. Portanto, o modelo de campo DC requer que os TGFs sejam gerados em uma altitude inferior, no topo da nuvem de tempestade (10-20 km), onde campos locais mais fortes podem ocorrer. Esta hipótese é apoiada por duas observações independentes. Em primeiro lugar, o espectro de radiação registrado por RHESSI se encaixa muito bem com a previsão de colapsos descontrolados a uma altitude de 15-20 km. Em segundo lugar, os TGFs estão altamente concentrados ao redor do equador e sobre a água em comparação com a totalidade dos raios . As nuvens de tempestade são mais altas perto do equador. Isso significa que a radiação gama criada pelos TGFs na parte superior da nuvem tem uma chance melhor de escapar pela atmosfera. A conclusão seria então que existem muitos TGFs, especialmente em latitudes mais altas, que não podem ser vistos do espaço por causa da baixa altitude de sua formação.

O modelo EMP requer menos energia para os TGFs, uma vez que os raios gama são gerados na alta atmosfera, de modo que todos os flashes de raios gama resultantes também podem ser vistos do espaço. Este modelo foi até agora insuficientemente confirmado por observações. Os requisitos para um pulso eletromagnético com as propriedades exigidas são bastante rígidos.

É provável que vários mecanismos estejam envolvidos na geração dos TGFs.

Possível desencadeamento por partículas rápidas

Foi sugerido que os TGFs acompanham os raios de partículas altamente relativísticas que escapam da atmosfera, se propagam ao longo das linhas do campo magnético e entram novamente no hemisfério oposto. Em alguns casos, os TGFs registrados por RHESSI e BATSE exibem padrões incomuns que parecem apoiar essa explicação. No entanto, esses casos contradizem a maioria dos dados estatísticos sobre eventos de TGF, de modo que esses tipos de TGFs provavelmente representam apenas uma fração, se é que representam, do total de eventos.

Em 14 de dezembro de 2010, o satélite Fermi observou um TGF com o número TGF 091214 sobre o Saara egípcio , nas proximidades do qual não ocorreram tempestades. O evento de tempestade associado ocorreu a 4000 km de distância, na Zâmbia . As partículas que acionaram o TGF se moveram ao longo de uma linha de campo magnético. Ao examinar a distribuição de energia, um acúmulo em 511 keV também foi descoberto, que é visto como um traço de aniquilações elétron-pósitron . Isso apóia a suposição de que a antimatéria também pode se formar em relâmpagos terrestres .

De acordo com os cálculos, o TGF pode não apenas liberar pósitrons, mas também nêutrons e prótons rápidos. Os nêutrons já foram medidos em descargas, mas até agora (2016) não há confirmação experimental para os prótons. Essas explosões de raios gama podem gerar partículas secundárias, como elétrons , pósitrons , nêutrons e prótons com energias de até 50 MeV.

literatura

  • CP Barrington-Leigh: Flashes de raios gama terrestres após CGRO: Perspectivas de HESSI . In: AGU Fall Meeting Abstracts . fita 31 , 1º de novembro de 2001, pp. 60 ( PDF [acessado em 30 de dezembro de 2010] pôster da conferência).
  • US Inan, MB Cohen, RK Said, DM Smith, LI Lopez: Flashes de raios gama terrestres e descargas elétricas . In: Cartas de Pesquisa Geofísica . fita 33 , 19 de agosto de 2006, p. 5 pp ., Doi : 10.1029 / 2006GL027085 .
  • JR Dwyer, DM Smith, MA Uman, Z. Saleh, B. Grefenstette, B. Hazelton, HK Rassoul: Estimativa da fluência de explosões de elétrons de alta energia produzidas por nuvens de tempestade e as doses de radiação resultantes recebidas em aeronaves . In: Journal of Geophysical Research . fita 115 , 15 de abril de 2010, p. 10 pp ., Doi : 10.1029 / 2009JD012039 .

Links da web

Commons : Explosões de raios gama terrestres  - coleção de imagens, vídeos e arquivos de áudio

Evidência individual

  1. ↑ GJ Fishman, PN Bhat, R. Mallozzi, JM Horack, T. Koshut, C. Kouveliotou, GN Pendleton, CA Meegan, RB Wilson, WS Paciesas, SJ Goodman, HJ Christian: Discovery of Inttense Gamma-Ray Flashes of Atmospheric Origin . In: Science . fita 264 , no. 5163 , 1994, pp. 1313-1316 , doi : 10.1126 / science.264.5163.1313 .
  2. ↑ David M. Smith, Liliana I. Lopez, RP Lin, Christopher P. Barrington-Leigh: Flashes de raios gama terrestres observados até 20 MeV . In: Science . fita 307 , no. 5712 , 2005, p. 1085-1088 , doi : 10.1126 / science.1107466 .
  3. ↑ Koehn, C., Ebert, U.: Distribuição angular de fótons de Bremsstrahl e de pósitrons para cálculos de flashes de raios gama terrestres e feixes de pósitrons, Atmos. Res. (2014), vol. 135-136, pp. 432-465 ( pré-impressão online )
  4. ↑ AV Gurevich , GM Milikh, R. Roussel-Dupre: Mecanismo de elétron em fuga de degradação do ar e pré-condicionamento durante uma tempestade . Em: Physics Letters A . fita  165 , nº 5-6 , 1 de maio de 1992, pp. 463-468 , doi : 10.1016 / 0375-9601 (92) 90348-P .
  5. ↑ C. Koehn e U. Ebert: A importância do elétron-elétron Bremsstrahlung para flashes de raios gama terrestres, feixes de elétrons e feixes de elétron-pósitron J. Phys. D.: Appl. Phys. como Fast Track Communication (2014), vol. 47, 252001 ( resumo )
  6. ↑ Joseph R. Dwyer, David M. Smith, raios gama surgem das nuvens. In: Spektrum.de. Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH, 13 de dezembro de 2012, acessado em 11 de abril de 2013 .
  7. ↑ Inan et al. 1996
  8. ↑ a b Steven A. Cummer, Yuhu Zhai, Wenyi Hu, David M. Smith, Liliana I. Lopez, Mark A. Stanley: Medições e implicações da relação entre relâmpagos e flashes de raios gama terrestres . In: Cartas de Pesquisa Geofísica . fita 32 , 30 de março de 2005, p. 5 pp ., Doi : 10.1029 / 2005GL022778 .
  9. ↑ a b US Inan, NG Lehtinen: Produção de flashes de raios gama terrestres por um pulso eletromagnético de um golpe de retorno de um raio . In: Cartas de Pesquisa Geofísica . fita 32 , 15 de setembro de 2005, p. 5 pp ., Doi : 10.1029 / 2005GL023702 .
  10. ↑ MB Cohen, US Inan, G. Fishman: flashes de raios gama terrestres observados a bordo do Compton Gamma Ray Observatory / Burst and Transient Source Experiment e ELF / VLF radio atmosféricos . In: Journal of Geophysical Research . fita 111 , 21 de novembro de 2006, p. 11 pp ., Doi : 10.1029 / 2005JD006987 .
  11. Jump up ↑ JR Dwyer, DM Smith: Uma comparação entre as simulações de Monte Carlo de colapso descontrolado e observações terrestres de raios gama . In: Cartas de Pesquisa Geofísica . fita 32 , 19 de outubro de 2005, p. 4 pp ., Doi : 10.1029 / 2005GL023848 .
  12. ↑ E. Williams, R. Boldi, J. Bór, G. Sátori, C. Price, E. Greenberg, Y. Takahashi, K. Yamamoto, Y. Matsudo, Y. Hobara, M. Hayakawa, T. Chronis, E Anagnostou, DM Smith, L. Lopez: Relâmpagos que conduzem à produção e fuga da radiação gama para o espaço . In: Journal of Geophysical Research . fita 111 , 29 de julho de 2006, p. 7 pp ., Doi : 10.1029 / 2005JD006447 .
  13. ↑ Jan Hattenbach: Relâmpago, trovão, antipartículas. In: Spectrum of Science. Edição 06/2011. Spektrumverlag, Heidelberg. ISSN  0170-2971
  14. ↑ Köhn, C., Ebert, U.: Cálculo de feixes de pósitrons, nêutrons e prótons associados a flashes de raios gama terrestres. J. Geophys. Res. Atmos. (2015), vol. 23, doi: 10.1002 / 2014JD022229
  15. ↑ a b C. Köhn, G. Diniz, Muhsin Harakeh: Mecanismos de produção de léptons, fótons e hádrons e seu possível feedback perto de líderes relâmpago . In: J. Geophys. Res. Atmos. . 122, 2017. doi : 10.1002 / 2016JD025445 .
  16. ↑ Agafonov, AV, AV Bagulya, OD Dalkarov, MA Negodaev, AV Oginov, AS Rusetskiy, VA Ryabov e KV Shpakov (2013), Observação de rajadas de nêutrons produzidas por descarga atmosférica de alta voltagem de laboratório, Phys. Rev. Lett., 111, 115003
  17. ↑ Köhn, C., Ebert, U.: Cálculo de feixes de pósitrons, nêutrons e prótons associados a flashes de raios gama terrestres. J. Geophys. Res. Atmos. (2015), vol. 23, doi: 10.1002 / 2014JD022229