stringtranslate.com

Avalancha electrónica relativista desbocada

Simulación RREA que muestra electrones (negro), fotones (azul) y positrones (rojo)

Una avalancha de electrones relativistas desbocada ( RREA ) es un crecimiento en avalancha de una población de electrones relativistas impulsados ​​a través de un material (normalmente aire) por un campo eléctrico. Se ha planteado la hipótesis de que RREA está relacionada con la iniciación de rayos , [1] destellos de rayos gamma terrestres , [2] rayos de sprites , [3] y el desarrollo de chispas . [4] RREA es única ya que puede ocurrir en campos eléctricos de un orden de magnitud inferior a la rigidez dieléctrica del material.

Mecanismo

Fricción dinámica de electrones libres en el aire en comparación con un campo eléctrico aplicado que muestra el rango de energía descontrolado de los electrones

Cuando se aplica un campo eléctrico a un material, los electrones libres se desplazarán lentamente a través del material, como se describe en la movilidad de los electrones . En el caso de los electrones de baja energía, las velocidades de desplazamiento más rápidas dan lugar a más interacciones con las partículas circundantes. Estas interacciones crean una forma de fricción que ralentiza a los electrones. Por lo tanto, en los casos de baja energía, las velocidades de los electrones tienden a estabilizarse.

A energías más altas, por encima de los 100 keV , estos eventos de colisión se vuelven menos comunes a medida que aumenta el camino libre medio del electrón. Por lo tanto, estos electrones de mayor energía experimentan menos fuerza de fricción a medida que aumenta su velocidad. En presencia del mismo campo eléctrico, estos electrones continuarán acelerándose, "escapando".

A medida que los electrones fugitivos obtienen energía de un campo eléctrico, ocasionalmente chocan con átomos del material, derribando electrones secundarios. Si los electrones secundarios también tienen suficiente energía para escapar, también se aceleran a energías altas, producen más electrones secundarios, etc. Por lo tanto, el número total de electrones energéticos crece exponencialmente en una avalancha.

La función de fricción dinámica, que se muestra en la Figura, tiene en cuenta únicamente las pérdidas de energía debidas a colisiones inelásticas y tiene un mínimo de ~216 keV/cm a una energía de electrones de ~1,23 MeV. Sin embargo, otros umbrales más útiles deben incluir también los efectos debidos a la pérdida de momento de electrones debido a colisiones elásticas. En ese caso, una estimación analítica [5] da un umbral de descontrol de ~282 keV/cm, que se produce a una energía de electrones de ~7 MeV. Este resultado concuerda aproximadamente con los números obtenidos a partir de simulaciones de Monte Carlo, de ~284 keV/cm [6] y 10 MeV, [7] respectivamente.

Siembra

El mecanismo RREA descrito anteriormente solo describe el crecimiento de la avalancha. Se necesita un electrón energético inicial para iniciar el proceso. En el aire ambiente, estos electrones energéticos suelen provenir de rayos cósmicos . [8] En campos eléctricos muy fuertes, más fuertes que la fuerza de fricción máxima experimentada por los electrones, incluso los electrones de baja energía ("fríos" o "térmicos") pueden acelerarse hasta alcanzar energías relativistas, un proceso denominado "fuga térmica". [9]

Comentario

Las avalanchas de RREA generalmente se mueven en dirección opuesta a la del campo eléctrico. Por lo tanto, después de que las avalanchas abandonan la región del campo eléctrico, las fuerzas de fricción dominan, los electrones pierden energía y el proceso se detiene. Sin embargo, existe la posibilidad de que los fotones o positrones producidos por la avalancha regresen al lugar donde comenzó la avalancha y puedan producir nuevas semillas para una segunda generación de avalanchas. Si la región del campo eléctrico es lo suficientemente grande, el número de avalanchas de segunda generación superará al número de avalanchas de primera generación y el número de avalanchas en sí crece exponencialmente. Esta avalancha de avalanchas puede producir poblaciones extremadamente grandes de electrones energéticos. Este proceso finalmente conduce a la descomposición del campo eléctrico por debajo del nivel en el que es posible la retroalimentación y, por lo tanto, actúa como un límite a la intensidad del campo eléctrico a gran escala. [6]

Efectos de la RREA

La gran población de electrones energéticos producidos en RREA producirá una población correspondientemente grande de fotones energéticos por bremsstrahlung . Estos fotones se proponen como la fuente de destellos de rayos gamma terrestres . Los grandes eventos RREA en tormentas eléctricas también pueden contribuir a dosis de radiación raras pero grandes para los vuelos de aerolíneas comerciales. [10] El físico estadounidense Joseph Dwyer acuñó el término " relámpago oscuro " para este fenómeno, [11] que todavía es objeto de investigación. [12]

Referencias

  1. ^ Gurevich, AV y Zybin, KP (2005). Descomposición de rayos y los misterios de los rayos. Physics Today, 58(5), 37. doi :10.1063/1.1995746.
  2. ^ Dwyer, JR y Smith, DM (2005). Una comparación entre simulaciones de Monte Carlo de ruptura descontrolada y observaciones terrestres de destellos de rayos gamma. Geophysical Research Letters, 32(22), L22804. doi :10.1029/2005GL023848.
  3. ^ Lehtinen, NG, Bell, TF, e Inan, US (1999). Simulación de Monte Carlo de la descomposición de electrones de MeV descontrolada con aplicación a sprites rojos y destellos de rayos gamma terrestres. Journal of Geophysical Research, 104(A11), 24699-24712. doi :10.1029/1999JA900335.
  4. ^ Betz, HD, Schumann, U., y Laroche, P. (Eds.). (2009). Relámpagos: principios, instrumentos y aplicaciones. Springer Verlag, cap. 15.
  5. ^ Lehtinen, Nikolai; Østgaard, Nikolai (2021). "Emisiones de rayos X en un modelo de fluido multiescala de una descarga de serpentina". Atmósfera . 123 (12): 6935–6953. doi : 10.3390/atmos12121664 . hdl : 11250/2977612 .
  6. ^ ab Dwyer, JR (2003). Un límite fundamental en los campos eléctricos en el aire. Geophysical Research Letters, 30(20), 2055. doi :10.1029/2003GL017781.
  7. ^ Babich, LP; Donskoy, EN; Il'Kaev, RI; Kutsyk, IM; Roussel-Dupre, RA (2004). "Parámetros fundamentales de una avalancha de electrones relativista desbocada en el aire". Plasma Physics Reports . 30 (7): 616–624. Código Bibliográfico :2004PlPhR..30..616B. doi :10.1134/1.1778437.
  8. ^ Carlson, BE, Lehtinen, NG, e Inan, US (2008). Siembra de avalanchas electrónicas relativistas descontroladas en la atmósfera terrestre. Journal of Geophysical Research, 113(A10), A10307. doi :10.1029/2008JA013210.
  9. ^ Colman, JJ, Roussel-Dupré, R. a, y Triplett, L. (2010). Funciones de distribución electrónica temporalmente autosimilares en la descomposición atmosférica: el régimen de fuga térmica. Journal of Geophysical Research, 115, 1-17. doi :10.1029/2009JA014509.
  10. ^ Dwyer, JR, Smith, DM, Uman, MA, Saleh, Z., Grefenstette, B. W, Hazelton, B. J, et al. (2010). Estimación de la fluencia de ráfagas de electrones de alta energía producidas por nubes de tormenta y las dosis de radiación resultantes recibidas en aeronaves. Journal of Geophysical Research, 115(D9), D09206. doi :10.1029/2009JD012039.
  11. ^ "Dark Lightning". Televisión actual . Consultado el 9 de abril de 2012 .
  12. ^ Amato, Ivan. "Las tormentas eléctricas contienen 'relámpagos oscuros', pulsos invisibles de radiación poderosa". Washington Post . Consultado el 9 de abril de 2012 .