Ebert, U. (Ute)

Köhn, C. (Christoph)

English

Köhn, Christoph

Ebert, Ute

NARCIS 

Simulations Show how Lightning Creates Antimatter

CWI's Institutional Repository

2/5/2015 Simulations Show how Lightning Creates Antimatterhttp://ercim­news.ercim.eu/en100/r­i/simulations­show­how­lightning­creates­antimatter 1/4View other issuesContents: ERCIM News 100Simulations Show how Lightning Creates Antimatterby Christoph Köhn and Ute EbertActive thunderstorms can emit gamma­rays and even antimatter. In fact, growing lightning channels can act as enormous particle accelerators above our heads. Researchers of the MultiscaleDynamics group at CWI have modelled and simulated these multiscale processes. They corrected previous calculations of gamma­ray emissions and, for the first time, computed the emissionand propagation of positrons and neutrons. The neutrons are produced in nuclear reactions in air and might reach the ground.Since 1994 we have known that active thunderstorms can generate ‘terrestrial gamma­ray flashes’, and in 2009 NASA’s Fermi satellite detected that thunderstorms can even launch beams ofantimatter, namely positrons, the anti­particles of electrons (see link below). The positrons were so numerous that they could be detected at 500 km altitude by the satellite. Other researchersclaim  that growing  lightning channels would  also  emit neutrons,  though  these observations  are  still  under debate. Gamma  rays, positrons  and neutrons  are  typically generated  in nuclearreactions – so what is going on in the clouds above our heads and around our airplanes? Should we worry? And what radiation is liberated when a lightning channel approaches ground?The emission of particles with such high energies was not expected by lightning experts. Researchers from the Multiscale Dynamics research group at CWI, headed by Ute Ebert, were wellpositioned to simulate and understand this phenomenon as they were already investigating electron acceleration in technological discharges at atmospheric pressure, in the context of energyefficient plasma processing and plasma medicine and in the context of high voltage switches for electricity nets.In essence, growing discharges in nature and technology can accelerate electrons to very high energies within an ionization wave. This process occurs very far from equilibrium in a smallregion around the tip of the growing channel, and the available electric energy is converted there into electron acceleration, and ionization and break­up of a small fraction of molecules, whilethe gas overall remains cold. If the electron energy is high enough, the electrons can generate gamma­radiation when colliding with molecules; and the gamma­radiation can subsequentlycreate electron positron pairs and liberate neutrons and protons from the nuclei of air molecules. But the voltage in thunderstorms can reach the order of 100 MV, while the highest voltagesanticipated for future long distance electricity nets are 1.2 MV. Therefore, technology oriented models have to be extended to deal with the extreme conditions of thunderstorms.2/5/2015 Simulations Show how Lightning Creates Antimatterhttp://ercim­news.ercim.eu/en100/r­i/simulations­show­how­lightning­creates­antimatter 2/4Figure 1: NASA’s illustration how gamma­rays (pink), and electrons and positrons (yellow) are launched into space from a thunderstorm. The electrons and positrons follow the geomagneticfield lines.Credit: NASA/Goddard Space Flight Center/J.Dwyer, Florida Inst. of TechnologyTo accurately model these processes, models have to cover multiple scales in space and in energy. The CWI models start out from parameterizations of the processes that occur when electronsor other particles collide with air molecules. Some of these parameterizations had to be revised. They enter into the discharge model on the smallest scale which is of MC/PIC type, i.e., aMonte Carlo model with Particle  in Cell approximation for  the coupling of electric charges to the electrostatic Poisson equation [1]. In this model,  the electrons follow their classical orrelativistic path between air molecules, and their collisions with a random background of molecules are modelled with a Monte Carlo process. Proper averaging over the random electronmotion (by taking moments of the Boltzmann equation and by truncating after the fourth moment) has delivered a set of four coupled partial differential equations for electron density, electronflux,  electron energy,  and electron energy  flux  [2]. An  important  and difficult  aspect of both  the MC/PIC model and  the PDE model  is  the coupling of  the electric charge density  to  theelectrostatic Poisson equation. Solving the Poisson equation is a classical numerical problem. In combination with local grid refinement it is also a challenging problem, since in each timestep Poisson equations are to be solved on computational grids that move in time.A particular challenge in the present project was to also bridge the many orders of magnitude of particle energies: the electric potential differences in thunderclouds are so high, that electronscan be accelerated to 40 MeV and more, which is over 100, 000, 000 times their thermal energy at room temperature (0.025 eV). This means that cross section databases for particle collisionshave to span more than eight orders of magnitude, and that databases from gas discharge physics (up to 1 keV) have to be joined with those from nuclear and high energy physics (typicallyabove 1 MeV), and the energy gap between these databases had to be filled.2/5/2015 Simulations Show how Lightning Creates Antimatterhttp://ercim­news.ercim.eu/en100/r­i/simulations­show­how­lightning­creates­antimatter 3/4Based on careful consideration of the specific processes of air molecules, and collaborating with experts from different disciplines, Christoph Köhn chose appropriate approximations within hisPhD thesis [3]. This allowed him to approximate the electron acceleration ahead of a growing lightning channel, and the subsequent production of gamma­rays. Köhn was then the first  tocalculate the production and propagation of positrons and neutrons. Both positrons and neutrons can propagate from the thundercloud upward to the satellite, and they also can reach ground. Soin terms of ground measurements it might appear as if a thunderstorm were a small nuclear reactor.The  theoretical  studies were performed by Christoph Köhn within his PhD  thesis  under  the  supervision of Ute Ebert,  the head of  the Multiscale Dynamics  research group  at CWI. As  acounterpart, Pavlo Kochkin investigated the emission of hard X­rays from meter long sparks in the high voltage laboratory of Eindhoven University of Technology under the supervision of Lexvan Deursen. The research of both PhD students was funded by the Dutch technology foundation STW.Links:NASA’s Fermi Catches Thunderstorms Hurling Antimatter into Space: http://www.nasa.gov/mission_pages/GLAST/news/fermi­thunderstorms.htmlMultiscale Dynamics research group at CWI:https://www.cwi.nl/research­groups/Multiscale­DynamicsChristoph Köhn’s phd thesis: http://www.tue.nl/en/publication/ep/p/d/ep­uid/412030/Pavlo Kochkin’s phd thesis: http://www.tue.nl/en/publication/ep/p/d/ep­uid/413844/References:[1] J. Teunissen and U. Ebert: “Controlling the weights of simulation particles: adaptive particle management using k­d trees”, J. Comput. Phys. 259, 318 (2014).[2] S. Dujko, A.H. Markosyan, R.D. White and U. Ebert: “High order fluid model for streamer discharges: I. Derivation of model and transport data”, J. Phys. D: Appl. Phys. 46, 475202 (2013).[3] C. Köhn: “High­energy phenomena in laboratory and thunderstorm discharges”, PhD thesis, TU Eindhoven, 2014. http://homepages.cwi.nl/~koehn/phd_thesis/index.htmlPlease contact:Ute Ebert, Christoph Köhn, CWI, The NetherlandsTel: +31 20 592 4206/4094E­mail: Ute.Ebert@cwi.nl, koehn@cwi.nlERCIM News 1002/5/2015 Simulations Show how Lightning Creates Antimatterhttp://ercim­news.ercim.eu/en100/r­i/simulations­show­how­lightning­creates­antimatter 4/4January 2015Special theme:Scientific Data Sharing and Re­useGuest editors: ­ Costantino Thanos, ISTI­CNR, Italy­ Andreas Rauber, TU Vienna, AustriaThis issue in pdf(56 pages)Open publication ­ FreepublishingThis issue in ePub format Next issueApril 2015Next special theme:The Internet of Things & the Web of ThingCall for the next issue

Simulations Show how Lightning Creates Antimatter

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

NARCIS

CWI's Institutional Repository