Они опубликовали свои результаты 30 марта в Письма о геофизических исследованиях.

Открытие команды также может пролить свет на другое явление: небольшой шок, который иногда ощущается при прикосновении к металлической дверной ручке. Называемый искровым разрядом, он возникает, когда между телом и проводником создается разность напряжений. В ходе серии лабораторных экспериментов в 1960-х годах ученые обнаружили, что искровые разряды испускают рентгеновские лучи - точно так же, как это делает молния. Более 60 лет спустя ученые все еще проводят лабораторные эксперименты, чтобы лучше понять механизм, лежащий в основе этого процесса.

Молния частично состоит из релятивистских электронов, которые испускают впечатляющие высокоэнергетические вспышки рентгеновского излучения с энергией в десятки мегаэлектронвольт, называемые земными гамма-вспышками (TGF). Исследователи создали симуляции и модели для объяснения наблюдений TGF, но, по словам ведущего автора Виктора Пасько, профессора электротехники Пенсильванского университета, существует несоответствие между моделируемыми и фактическими размерами. Пасько и его команда математически смоделировали явление TGF, чтобы лучше понять, как оно может происходить в наблюдаемом компактном пространстве.

"Все симуляции очень большие - обычно несколько километров в поперечнике - и сообществу сейчас трудно согласовать это с реальными наблюдениями, потому что, когда молния распространяется, она очень компактна", - сказал Пасько, объяснив, что пространственный канал молнии обычно имеет размер в несколько сантиметров, а активность электрического разряда создает рентгеновское излучение.лучи, расширяющиеся вокруг концов этих каналов в крайних случаях до 100 метров. "Почему этот источник такой компактный? До сих пор это было загадкой. Поскольку мы работаем с очень малыми объемами, это также может иметь значение для лабораторных экспериментов с искровыми разрядами, проводимых с 1960-х годов".

Пасько сказал, что они разработали объяснение того, как электрическое поле увеличивает количество электронов, приводя в действие это явление. Электроны рассеиваются на отдельных атомах, из которых состоит воздух, когда они испытывают ускорение. По мере движения электронов большинство из них продвигается вперед, набирая энергию и размножаясь, подобно снежной лавине, что позволяет им производить больше электронов. Когда электроны лавинообразно движутся, они испускают рентгеновские лучи, которые отбрасывают фотоны назад и производят новые электроны.

"Исходя из этого, вопрос, на который мы хотели ответить математически, заключался в следующем: "Какое электрическое поле вам нужно приложить, чтобы просто воспроизвести это, запустить достаточное количество рентгеновских лучей в обратном направлении, чтобы обеспечить усиление этих выбранных электронов?" - сказал Пасько.

По словам Пасько, математическое моделирование установило порог для электрического поля, что подтвердило механизм обратной связи, который усиливает электронные лавины, когда рентгеновские лучи, испускаемые электронами, движутся назад и генерируют новые электроны.

"Результаты модели согласуются с наблюдательными и экспериментальными данными, указывающими на то, что TGF происходят из относительно компактных областей космоса с пространственной протяженностью порядка 10-100 метров", - сказал Пасько.

В дополнение к описанию высокоэнергетических явлений, связанных с молнией, Пасько сказал, что эта работа может в конечном итоге помочь в разработке новых источников рентгеновского излучения. Исследователи заявили, что планируют изучить механизм с использованием различных материалов и газов, а также различных применений своих результатов.

Другими авторами статьи являются Реза Джанализаде, аспирант Кафедры электротехники Пенсильванского государственного университета; Себастьен Селестен из Орлеанского университета в Орлеане, Франция; Энн Бурдон из Политехнической школы в Палезо, Франция; и Ярослав Янский из Университета обороны в Брно, Чехия.

Национальный научный фонд финансировал эту работу.