Terrestrial Gamma-ray Flashes and Associated Electromagnetic Emissions; from Radio to Gamma rays
Les flashs gamma terrestres (TGF) sont d intenses bouffées de rayonnement gamma, de durées inférieures à la milliseconde, produits dans les champs électriques des nuages d orage. Les TGF sont déclenchés par un processus connu sous le nom d Avalanche d Électrons Runaway Relativistes (RREA), mais le m...
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| Autor principal: | |
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| Altres autors: | , , , , , |
| Format: | Thèse numérique |
| Idioma: | Anglais Français |
| Publicat: |
2020.
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| Matèries: | |
| Accés en línia: | Accès au texte intégral https://theses.univ-orleans.fr/public/2020ORLE3169_va.pdf http://www.theses.fr/2020ORLE3169/abes |
| Nota: |
Titre provenant de l'écran-titre Ecole(s) Doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....) Partenaire(s) de recherche : Laboratoire de physique et chimie de l'environnement et de l'espace (Orléans ; 2012-...) (Laboratoire) Autre(s) contribution(s) : Pierre-Louis Blelly (Président du jury) ; Pierre-Louis Blelly, Martino Marisaldi, Rasha Abbasi, Elisabeth Blanc, Jean-Louis Pinçon (Membre(s) du jury) ; Pierre-Louis Blelly, Martino Marisaldi (Rapporteur(s)) |
| Autres localisations: | Voir dans le Sudoc |
| Variante du titre: | Flashs Gamma Terrestres et émissions électromagnétiques associées ; des rayonnements radio aux rayonnements gamma |
| Sumari: | Les flashs gamma terrestres (TGF) sont d intenses bouffées de rayonnement gamma, de durées inférieures à la milliseconde, produits dans les champs électriques des nuages d orage. Les TGF sont déclenchés par un processus connu sous le nom d Avalanche d Électrons Runaway Relativistes (RREA), mais le mécanisme exact de production et le contexte général derrière ce processus fait encore débat. Dans cette thèse, nous utilisons différents outils de modélisation afin d explorer les divers aspects des TGF ainsi que des émissions électromagnétiques qui leur sont associées. Ce faisant, nous abordons un des sujets de recherche les plus récents dans le domaine de la physique atmosphérique des hautes énergies. Lors de la propagation des RREA, des électrons de basse énergie ainsi que des ions positifs et négatifs sont produits. Ces particules chargées produisent des courants lors de leur mouvement dans le champ électrique de l orage. Nous modélisons les espèces chargées produites par les RREA, et les émissions radio qui en résultent dans le contexte d électrons runaway thermiques injectés par un leader d éclair. Nous trouvons que pour certaines conditions initiales, ces émissions radio correspondent aux ``slow LF pulses'' qui ont été précédemment observés simultanément avec des TGF. Cela confirme que les slow LF pulses sont en fait générés directement par la source du TGF elle-même, comme cela a été précédemment suggéré. Les slow LF pulses pourront ainsi être utilisés pour déterminer les propriétés caractéristiques des sources de TGF. Depuis que le Telescope Array (Utah, États-Unis) commence à détecter de particules de haute énergie corrélées avec des éclairs, le nombre de détection depuis le sol a considérablement augmenté. Les observations de TGF depuis le sol représentent un outil complémentaire aux observations satellites. La proximité avec l évènement et la possibilité d observer un évènement avec plusieurs détecteurs pourraient révéler de nouvelles informations sur la production des TGF. Nous nous intéressons aux TGF inversés (dirigés vers le sol) en utilisant un modèle Monte Carlo de transport de photon dans l atmosphère. Les pulses de rayonnement gamma détectés par le Telescope Array s étendent sur des périodes de quelques centaines de microsecondes, avec des structures temporelles inférieure à 10 s. Nous prédisons que de telles structures seraient observables aux altitudes de satellites, en supposant une résolution temporelle suffisante. D autre part, nous démontrons comment différents spectres de sources de TGF mèneraient à différent nombres de photons atteignant le sol, ce qui impacte les conclusions qu on peut tirer en utilisant les données observationnelles. Lors de la propagation d un TGF, le rayonnement gamma qui ionise l air environnant, produit ainsi des électrons libres. Ces électrons émettent un rayonnement bremsstrahlung (ici appelé photons secondaires), principalement dû aux collisions avec les noyaux des molécules de l air. Une partie de ce rayonnement bremsstrahlung sera d énergie suffisante pour atteindre l altitude des satellites. Le spectre de ces photons secondaires dépend des propriétés initiales du TGF, et peut être utilisé pour caractériser ces dernières à partir des observations. Les photons secondaires sont également une signature directe de l énergie déposée dans l atmosphère par les TGF. Parce qu ils ne sont pas facilement distinguables des photons du TGF, nous proposons trois mesures pour analyser les résultats liés aux spectres des photons secondaires. De cette façon, nous sommes capables de quantifier les propriétés de TGF de différents spectres initiaux et différentes géométrie de faisceaux. Dans cette thèse, nous démontrons que la combinaison de divers effets de différentes natures liés aux TGF peut être un outil puissant pour résoudre nombre de questions ouvertes dans le domaine de la physique de l atmosphère des hautes énergies. Terrestrial Gamma-ray Flashes (TGFs) are bright, sub-millisecond bursts of gamma rays originating in the electric fields of thunderstorms. TGFs are thought to be initiated by a process known as a Relativistic Runaway Electron Avalanche (RREA), but the exact seeding mechanism and general context behind the process remain debated. In this thesis, we use a range of modeling tools to explore several different aspects of TGFs and associated electromagnetic emissions. In doing so, we address some of the most recent research in the field of high-energy atmospheric physics.As RREAs propagate, they leave a trail of low-energy electrons and positive and negative ions behind. These populations of charged particles will carry currents as they move in the thunderstorm electric field. We model the charged species left behind by the propagating RREA, and the resulting radio emissions in the context of injection of thermal runaway seed electrons by a lightning leader. We find that for certain initial conditions, these radio emissions match slow LF pulses that have previously been observed concurrently with TGFs. This confirms that the slow LF pulses are generated directly by the TGF source itself, as has been previously suggested. Slow LF pulses may therefore be used to infer characteristic properties of TGF sources.Until recently, there were only a few ground-based observations of TGFs. Since the Telescope Array in Utah, USA, started reporting detections of high-energy particles correlated with lightning, their number has greatly increased. Ground observations of TGFs represent a valuable addition to space-borne detectors. The proximity to the event and the ability to observe an event with several detectors may reveal new information about the production of TGFs. We study downward directed TGFs using Monte Carlo modeling of photon transport through the atmosphere. The Telescope Array-observed pulses of gamma rays spread over periods of a few hundred microseconds, with time structures of less than 10 s. We predict such structures to be observable at satellite altitude, given sufficient time resolution. Additionally, we demonstrate how various source spectra would lead to different number of photons reaching ground, which impacts the conclusions one can draw using observational data.As a TGF propagates, gamma rays will knock electrons free as they interact with the surrounding air. These electrons emit bremsstrahlung (here referred to as secondary photons), mainly due to collisions with the nuclei of air molecules. Some of this bremsstrahlung has sufficient energy to reach satellite altitude. The spectrum of secondary photons is dependent on the initial TGF s properties, and can be used to infer these from observations. Secondary photons are also a direct signature of the energy deposited into the atmosphere by TGFs. Because they are not easily separated from the photons of the TGF, we propose three measures to analyze results relating to secondary photon spectra. In this way, we are able to quantify properties of TGFs with different initial energy spectra and beaming geometry.In this thesis, we demonstrate that the combination of multiple TGF-related effects of different nature can be a powerful tool to solve many of the open questions in high-energy atmospheric physics. |
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| Descripció de l’ítem: | Titre provenant de l'écran-titre Ecole(s) Doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....) Partenaire(s) de recherche : Laboratoire de physique et chimie de l'environnement et de l'espace (Orléans ; 2012-...) (Laboratoire) Autre(s) contribution(s) : Pierre-Louis Blelly (Président du jury) ; Pierre-Louis Blelly, Martino Marisaldi, Rasha Abbasi, Elisabeth Blanc, Jean-Louis Pinçon (Membre(s) du jury) ; Pierre-Louis Blelly, Martino Marisaldi (Rapporteur(s)) |
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