Orkanen Patricia var den mest intensiva tropiska cyklonen som någonsin registrerats på västra halvklotet när den närmade sig Mexikos västkust 2015. Forskare upptäckte en omvänd positronstråle från en terrestrisk gammastrålning som är associerad med blixtnedslag i orkanens ögonvägg. Upphovsman:NASA -bild av Jeff Schmaltz, LANCE/EOSDIS snabbt svar
Orkanen Patricia, som drabbade Mexikos västkust 2015, var den mest intensiva tropiska cyklonen som någonsin registrerats på västra halvklotet. Mitt i stormens extrema våld, forskare observerade något nytt:en nedåtgående stråle av positroner, elektronmotståndet, skapar ett utbrott av kraftfulla gammastrålar och röntgenstrålar.
Upptäckt av ett instrument ombord på NOAAs Hurricane Hunter -flygplan, som flög genom stormens ögonmur vid sin högsta intensitet, positronstrålen var ingen överraskning för UC Santa Cruz -forskarna som byggde instrumentet. Men det var första gången någon såg detta fenomen.
Enligt David Smith, professor i fysik vid UC Santa Cruz, positronstrålen var den nedåtgående komponenten i en uppåtriktad gammastrålningsblixt som skickade en kort strålningsstrålning ut i rymden ovanför stormen. Terrestriska gammastrålblixter (TGF) sågs första gången 1994 av rymdbaserade gammastrålningsdetektorer. De förekommer i samband med blixtnedslag och har nu observerats tusentals gånger av satelliter i omloppsbana. En omvänd positronstråle förutspåddes av teoretiska modeller av TGF, men hade aldrig upptäckts.
"Detta är den första bekräftelsen på den teoretiska förutsägelsen, och det visar att TGF genomborra atmosfären från topp till botten med hög energi strålning, "Smith sa." Denna händelse kunde ha detekterats från rymden, som nästan alla andra rapporterade TGF, som en uppåtriktad stråle orsakad av en lavin av elektroner. Vi såg det underifrån på grund av en stråle av antimateria (positroner) som skickades i motsatt riktning. "
Forskare vid SCIPP-laboratorierna vid UC Santa Cruz byggde Airborne Detector for Energetic Lightning Emissions (ADELE) mark II för att observera TGF på nära håll genom att mäta röntgen- och gammastrålning från flygplan som flög in i eller över åskväder. Upphovsman:Gregory Bowers
En oväntad implikation av studien, publicerad 17 maj i Journal of Geophysical Research : Atmosfärer , är att många TGF kan detekteras via den bakre positronstrålen med markbaserade instrument på höga höjder. Det är inte nödvändigt att flyga in i orkanens öga.
"Vi upptäckte det på 2,5 kilometers höjd, och jag uppskattade att våra detektorer kunde ha sett den ner till 1,5 kilometer. Det är Denvers höjd, så det finns många platser där du i teorin kunde se dem om du hade ett instrument på rätt plats vid rätt tidpunkt under ett åskväder, "Sa Smith.
Trots bekräftelsen av den omvända positronstrålen, många frågor är fortfarande olösta om de mekanismer som driver TGF. Starka elektriska fält i åskväder kan accelerera elektroner till nära ljusets hastighet, och dessa "relativistiska" elektroner avger gammastrålning när de sprider sig från atomer i atmosfären. Elektronerna kan också slå av andra elektroner från atomer och påskynda dem till höga energier, skapa en lavin av relativistiska elektroner. En TGF, vilket är en extremt ljus blixt av gammastrålar, kräver ett stort antal laviner av relativistiska elektroner.
"Det är en extraordinär händelse, och vi förstår fortfarande inte hur det blir så ljust, "Sa Smith.
ADELE mark II flög ombord på NOAAs Hurricane Hunter WP-3D Orion under orkanens säsong i Atlanten. Upphovsman:Gregory Bowers
Positronernas källa, dock, är ett välkänt fenomen inom fysiken som kallas parproduktion, i vilken en gammastrål interagerar med atomkärnan för att skapa en elektron och en positron. Eftersom de har motsatta avgifter, de accelereras i motsatta riktningar av åskväderns elektriska fält. De nedåtgående rörliga positronerna producerar röntgenstrålar och gammastrålar i sin färdriktning när de kolliderar med atomkärnor, precis som de uppåtgående elektronerna.
"Det vi såg i flygplanet är gammastrålarna som produceras av den nedåtgående positronstrålen, "Sa Smith.
Förste författaren Gregory Bowers, nu vid Los Alamos National Laboratory, och medförfattare Nicole Kelley, nu på Swift Navigation, var båda doktorander vid UC Santa Cruz när de arbetade tillsammans på instrumentet som gjorde upptäckten. Airborne Detector for Energetic Lightning Emissions (ADELE) mark II var utformad för att observera TGF på nära håll genom att mäta röntgenstrålar och gammastrålar från flygplan som flög in i eller över åskväder.
Att komma för nära en TGF kan vara farligt, även om risken sjunker snabbt med avståndet från källan. Gammastrålningsdosen på ett kilometers avstånd skulle vara försumbar, Smith sa. "Det är hypotetiskt sett en risk, men oddsen är ganska små, "sa han." Jag ber inte piloter att flyga in i åskväder, men om de ändå går ska jag sätta ombord ett instrument. "
Smiths grupp var den första som upptäckte en TGF från ett flygplan med ett tidigare instrument, ADELE -märket I. I så fall, den uppåtgående strålen från TGF detekterades ovanför ett åskväder. För denna studie, ADELE mark II flög ombord på NOAA:s orkanjägare WP-3-D Orion under orkansäsongen i Atlanten.
