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行星科学

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黑暗的闪电为伽玛射线的奥秘增添光彩

17 Apr 2013
飞机乘客还要担心的一件事?

美国科学家说,他们发现了一种引人注目的新型放电机制,可以解释雷暴如何产生伽马射线的闪光。称为“dark lightning”,其效果是无声的,肉眼看不见的以及对飞机乘客的潜在威胁–至少根据研究人员’楷模。这是因为这样的雷电有可能产生强烈的地面伽马射线闪光(TGF),并且可以向附近的飞行者传递等于全身X射线断层扫描(CT)扫描的辐射剂量。

TGF是从地球发出的极亮的伽马射线脉冲’的气氛。它们仅持续了十分之几毫秒,但能够暂时使数百公里外的卫星仪器致盲。自1990年代初以来,科学家就已经知道TGF,当时它们是通过旨在测量来自遥远天体来源(如超新星和黑洞)的伽马射线的仪器偶然发现的。

‘花园品种的雷暴’

长期以来,没有人能弄清TGF的来源。“逻辑上认为,如果我们可以从太空看到它们,那么它们必须来自大气层的顶部,”佛罗里达理工学院的物理学家和闪电专家约瑟夫·德威尔(Joseph Dwyer)解释说,他领导了这项最新工作。事实证明这是错误的:“现在,我们知道它们来自大气层深处,来自各种花园的雷暴,” he explains.

各种类型的雷暴,无论大小,似乎都会产生TGF,传统雷电的频率大约是每千个螺栓产生一个。但是直到最近,他们的工作方式还不清楚。现在,Dwyer及其同事提出了一种基于物理学的模型,该模型可以提供解释并量化TGF对通常以相似高度飞行的飞机的潜在威胁。

浮子加速器

在暴风云中,急速上升的热空气膨胀迫使冰和水颗粒相互摩擦,产生大量离子,并在云的顶部(带正电)和中部(带负电)之间形成巨大的电势差。人们认为,当两个充电中心之间的空气绝缘层突然破裂时,就会发生闪电。但是随着暴风雨的加速,强大的电场也将云转变为巨大的漂浮粒子加速器。电子以接近光速的速度加速撞击空气分子,从而以雪崩效应产生更多快速移动的电子。

电子以相对论速度发射emit致辐射的伽马射线,其中一些分解成电子和正电子。新产生的电子与其余的电子一起向上涌动并产生伽马射线,而正电子则向下冲向暴风云的负中心,随着它们前进而掠过空气分子,并引发了无数更多的电子级联。“您创建了这个反馈回路:正电子产生电子,电子产生正电子,” explains Dwyer. “因此,您会得到雪崩般的雪崩。”

爆炸但不可见

爆炸级联产生约1017 只需十分之几毫秒的电子–一直喷出伽玛射线–这时带电粒子的数量如此之大,以至于雷暴’的电场会崩溃,并且会迅速而无形地放电。这些高能电子束产生的电流与常规雷电产生的电流相当–数万安培的幅度。

Florida Tech模型显示出了希望,因为它不仅预测了与卫星观测到的频率和脉冲结构相同的频率和脉冲结构,而且还预测了TGF应当具有与其相关的大无线电脉冲串–通常由地面雷电测量网络测量的现象。

该团队使用其模型来计算暴风雨中飞机上人员的辐射剂量。发现在暴风雨的顶部附近,剂量大约等于10 chest X-rays –一年中我们从自然本底来源获得的剂量。但是靠近风暴中心,剂量可能是“about 10 倍大,相当于医疗程序中接受的一些最大剂量,大致等于全身CT扫描,” according to Dwyer.

相当大的辐射剂量

“On rare occasions…it may be possible that hundreds of people, without knowing it, may be simultaneously receiving a sizable dose of radiation from 黑暗的闪电,”Dwyer说,但他强调,风险不是要过分担心的风险–飞行员已经尽了最大的努力避免和避开雷暴。“You’d必须在雷暴内部[处于危险之中],而且不仅在雷暴内部而且在错误的时间也处于雷暴最严重的部分。”

“这种研究显然是相关的,因为这些现象发生在我们上方,” says Nikolai Østgaard,挪威卑尔根大学的物理学家,未参与此项研究。“但是我们需要更多的观察 …这些TGF的空间测量都是通过为其他目的设计的仪器进行的,但是现在有几个计划中的任务专门用于检测TGF和光学照明。”

加利福尼亚大学圣克鲁斯分校的David Smith发现了理论工作“迷人而美丽”. But, he cautions, “关于如何生产TGF,存在避风港’被排除在外,在这些模型中,TGF‘dark’ –它需要使用普通的闪光灯,并紧跟其后。”史密斯(Smith)不久将与德威尔(Dwyer)及其同事合作,在无人驾驶的“全球鹰”(Global Hawk)飞机上绕着飓风飞行ADELE伽马射线探测器。

这项研究描述于10 四月,在奥地利维也纳举行的欧洲地球科学联盟会议上。

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