Sus análisis sugieren que las tormentas situadas profundamente dentro de nuestra atmósfera a veces producen ráfagas de electrones con energías de hasta 100 MeV. Aunque el mecanismo exacto sigue siendo incierto, estos electrones se cree son acelerados por fuertes campos eléctricos dentro de los nubarrones. Como los electrones energéticos se propagan a través del aire, emiten fotones de bremsstrahlung, los cuales pueden ser observado a cientos de kilómetros de distancia por naves espaciales. Las nuevas observaciones, las cuales fueron realizadas por la nave espacial AGILE de la Agencia Espacial italiana, muestran por primera la notable extensión del espectro de energía de los destellos de rayos gamma terrestre . La comprensión de cómo las tormentas eléctricas son capaces de producir estos rayos gamma energéticos debería decirnos más sobre el ambiente eléctrico dentro de estas tormentas y qué condiciones están presentes durante el inicio del rayo preguntas que sigue confundiéndo, incluso 250 años después del experimento de la cometa de Benjamin Franklin.
Los aceleradores de partículas más conocidos son las instalaciones hechas por el hombre, como el Gran Colisionador de Hadrones del CERN, o aceleradores naturales, tales como las explosiones de supernovas, las eyecciones de masa coronal, o laserupciones solares. En todos estos casos, las partículas subatómicas son aceleradas en el vacío parcial. Como resultado, el hecho de que las nubes de tormenta, que se encuentra profundamente en nuestra atmósfera, son potentes aceleradores de partículas puede parecer contradictorio.Sin embargo, ahora sabemos que las nubes de tormenta, e incluso los relámpagos, pueden generar electrones de muy alta energía, positrones, rayos X y rayos gamma. Dado que los rayos X y rayos gamma suelen viajar mucho más lejos a través de nuestra atmósfera que los electrones y positrones que los produjeron, estos aceleradores de partículas atmosféricos son en su mayoría estudiados de forma remota mediante la medición de la radiación energética emitida. Por ejemplo, los rayos X hasta unos pocos MeV se han medido en rayos naturales y los producidos por cohetes ver[aquí y aquí ], y el surgimiento de rayos gamma que duran varios segundos ocasionalmente se han observado desde nubes de tormenta [ver aquí ].
Una clase de eventos fascinantes son las brillantes ,ráfagas de rayos gamma de milisegundos de duración llamadas destellos de rayos gamma-terrestre o TGFs, las cuales el instrumento BATSE a bordo del Observatorio de Rayos Gamma Compton(CGRO) descubrió por primera vez a principios de los años noventa [ ver aquí ]. Inicialmente, la mayoría de los investigadores creían que los destellos se originaban de descargas a gran –altitud llamadas “duendes”. Recientemente, sin embargo, varias líneas independientes de investigación han demostrado que la fuente de los TGFs son en realidad las tormentas eléctricas (ver Figura ), las cuales se localizan mucho más abajo en nuestra atmósfera ver[ aquí y aquí]. Curiosamente, esto coloca la fuente de los TGFs, con sus grandes flujos de radiación de alta energía, aproximadamente a la misma altura en que los aviones comerciales vuelan habitualmente, aumentando la preocupación de los posibles riesgos de radiación a las personas en los aviones ver [aquí ].
el satélite AGILE de la Agencia Espacial Italiana ha detectado estallidos de rayos gamma(mostrados como flechas amarillas en la imágen) desde nubes tormentosas.Los estallidos son producidos por electrones acelerados que pueden alcanzar energías hasta de 100MeV.Crédito.Alan Stonebraker.
Es generalmente aceptado que los rayos gamma en los TGFs provienen de la radiación bremsstrahlung de electrones energéticos que interactúan con el aire. Los electrones son producidos por el desbocado mecanismo relativista de avalancha de electrones (a veces llamado como fallos fuera de control). Dentro de nubes de tormenta, los campos eléctricos pueden crecer lo suficientemente grande que la tasa en que los electrones rápidos ganan energía del campo es mayor que la tasa con la que pierden energía cuando interactúan con las moléculas en el aire. Estos electrones pueden adquirir grandes energías del campo eléctrico y se dice que "se desbocan." A medida que los electrones “desbocados” viajan a través del aire, a veces son sometidos a una dura dispersión elástica con los electrones atómicos, produciendo electrones adicionales que también pueden “desbocarse”. El resultado es una avalancha de electrones de alta energía que crecen de manera exponencial en número con la distancia [ ver aquí]. Debido a que la ganancia de energía de los electrones desbocados (o fuera de control ) está estrechamente ligada a la tasa de crecimiento de la avalancha, el espectro de energía de los electrones desbocados se espera que disminuya de forma exponencial de acuerdo a la siguiente expresión [ exp(-E/7 MeV)] con un pliegue de energía de alrededor de 7MeV, independientemente de la densidad del aire, humedad, precipitación, o detalles sobre el campo eléctrico. Sin embargo, la diferencia de potencial total dentro de la tormenta y la intensidad de campo eléctrico son las que en última instancia, limitan el máximo de energía de los electrones.
Hasta ahora, las mediciones detalladas del espectro de energía han sido limitadas. Por ejemplo,en el instrumento CGRO / BATSE había sólo cuatro canales de energía en su detector los cuales se extendían hasta unos pocos cientos de keV. La nave espacial RHESSI midió muchas propiedades importantes de los TGFs pero sólo podía medir las energías de hasta 20 MeV [ veraquí ]. Más recientemente,el Fermi / GBM ha encontrado algunos rayos gamma que alcanzan los 40 MeV [ ver aquí ]. El detector Mini-Calorímetro (MCAL) a bordo del satélite AGILE mide los rayos gamma procedentes de todas las direcciones en el rango de 350 keV - 100 MeV, por lo que es muy apropiado para medir los TGFs. Los nuevos datos del AGILE / MCAL reportados por el equipo de Marco Tavani notablemente, demuestran que el espectro de energía de los electrones en los TGFs se extiende hasta los 100 MeV. De buenas a primeras, esto demuestra que las diferencias de potencial muy grandes deben estar presente dentro de las tormentas. Sorprendentemente, nadie sabe lo que las diferencias de potencial en la tormenta son capaces de producir. La dificultad es que las observaciones requeridas de múltiples puntos del campo eléctrico son extremadamente difíciles de hacer. Al tomar en cuenta las pérdidas de energía de los electrones en el aire, la observación de que el espectro se extiende a 100 MeV significa que las tormentas pueden alcanzar varios cientos de millones de voltios de diferencia de potencial con un moderadamente fuerte campo eléctrico una inesperada propiedad eléctrica de estas tormentas. Aún más interesante, el espectro de los TGFs reportados por Tavani se aparta significativamente de un exponencial en las energías más altas, llegando a ser una ley de potencias. Esta observación será muy difícil de explicar usando el modelo estándar relativista de avalancha de electrones desbocados, y es posible que otros mecanismos también esten involucrados en la producción de los TGFs. Sin embargo, esto deja a los teóricos rascándose la cabeza, ya que no es obvio que otros mecanismos son capaces de acelerar partículas hasta energías tan altas en el interior de las tormentas eléctricas.
el estudio se puede encontrar AQUÏ
fuente de la información:
http://physics.aps.org/articles/v4/1
