Эта крошечная «искра» может помочь разгадать тайну происхождения молнии
Как это часто бывает в науке, когда эксперименты Андреа Штёлльнер не сработали так, как ожидалось, они привели ее к чему-то еще более интересному – способу изучения того, что могло быть начальной искрой молнии, с использованием лазеров и одной микроскопической частицы.
Стёлльнер, исследователь-физик из Австрийского института науки и технологий, вместе с международной группой исследователей возглавил исследование известной, но малопонятной способности световых «пинцетов» заряжать частицы в своих частицах. Это дает исследователям новый способ исследовать одно из самых величественных явлений природы.
Как возникает молния, является одной из величайших загадок в науке об атмосфере. Существует несколько теорий, каждая из которых пытается объяснить, что запускает электрический каскад внутри облаков, кульминацией которого является удар молнии.
Почти 9 миллионов молний освещают Землю каждый день, в самых крайних случаях зигзагами проносясь сквозь облака на сотни миль.
По теме: Самый длинный в мире удар молнии преодолел 515 миль от Техаса до Канзаса
И все же, учитывая, как много мы знаем о Учитывая физику далеких объектов в дальних уголках Вселенной, удивительно, что мы не знаем, что вызывает молнии внутри облаков всего в нескольких километрах над нашими головами.
Ученые отправляли метеозонды для измерения условий внутри грозовых облаков, летали на самолетах сквозь грозы и использовали высокоскоростные камеры и датчики для регистрации ударов молний – и фотоядерных реакций, которые они вызывают.
Но как именно возникает молния, остается открытым вопросом.
Грозовые облака стать очень заряженным; это многое известно. Основная теория заключается в том, что кристаллы льда внутри облаков заряжаются, когда сталкиваются с мягким градом, называемым граупелем; противоположные заряды разделяются, создавая электрическое поле.
Есть только одна проблема. Электрические поля, измеряемые внутри облаков, относительно слабы; далеко не достаточно сильный, чтобы превратить воздух в проводник, по которому может течь ток.
«Это говорит о том, что либо что-то не так с нашими измерениями», — написали в 2014 году два специалиста по молниям Джозеф Дуайер и Мартин Уман, — «либо что-то не так с нашим пониманием того, как электрические разряды возникают в грозовой среде».
Возможно, внутри облаков существуют очаги электрических полей более высокой интенсивности, которые ученые еще не обнаружили, или что кристаллы льда каким-то образом создают первую искру, которая Молния должна начаться, рассказал Штёлльнер журналу ScienceAlert.
Высокоэнергетические космические лучи являются еще одной возможностью: они могут ионизировать воздух, создавая поток свободных электронов, которые сбиваются в молнию.
«Но опять же, — говорит Штёлльнер, — это также может быть что-то совершенно другое или смесь всех этих вещей; мы не знаем».
Теории о том, как начинается молния, циркулируют со времен молнии. 1950-х и 60-х годов, основанные в основном на наблюдениях и компьютерном моделировании и редко проверяемые в лабораторных экспериментах.
Стёльнер не ставила перед собой задачу изучить, как возникает молния, но именно к этому и направляются ее исследования.
«Я думаю, сейчас самое время вернуться к этому вопросу, потому что у нас есть технология, позволяющая это сделать», — говорит Стёлльнер, аспирант лаборатории физика Скотта Вайтукайтиса и климатолога. Кэролайн Мюллер.
В своем недавнем исследовании Штёлльнер и ее коллеги использовали лазеры, чтобы «захватить» одну микроскопическую частицу кремнезема и измерить заряд частицы при увеличении интенсивности лазера. Когда нейтральная частица кремнезема накапливает заряд, она «трясется» в переменном электрическом поле вокруг лазера.
Измерения команды показывают, что нейтральная частица кремнезема, вероятно, поглощает два фотона из лазера, который заряжает и высвобождает электроны, оставляя частицу положительно заряженной.
Но Штёлльнер также заметил кое-что неожиданное: иногда, когда частица находилась в ловушке в течение нескольких недель, она внезапно переставала так сильно трястись – спонтанный разряд, который, если бы он происходил в атмосфере, может вызвать что-то большее, например удар молнии.
«Мы не знаем, как это происходит, но, по сути, заряд падает очень быстро», — говорит Штёлльнер. «Нам очень интересно выяснить, что является причиной этого, и на самом деле это почти тот же вопрос, что и возникновение молнии, только в этом крошечном, крошечном масштабе.»
Связь с молнией на данный момент является весьма спекулятивной, поэтому Штёлльнер все еще изучает разряды и проверяет, оказывает ли на них какое-либо влияние размер частиц, влажность или давление.
«С одной стороны, это ограничение нашего исследования, потому что все очень маленькое и очень маленькое, и 10 электронов не делают молния», — говорит Штёлльнер. «Но, с другой стороны, это способ исследовать зарядку и разрядку отдельной частицы с очень высоким разрешением».
Дэн Дэниел, физик из Окинавского института науки и технологий в Японии, который не принимал участия в исследовании, рассказал ScienceAlert, что способность улавливать одну субмикронную частицу, контролируемо заряжать ее и измерять ее заряд «с исключительным разрешением» «действительно впечатляет».
«Это именно тот уровень точности, который необходим для того, чтобы в конечном итоге исследовать зарядку капель воды или частиц льда – это важный шаг на пути к поистине микроскопическому пониманию молний, электризации облаков и атмосферного электричества», — объяснил Дэниел.
Этот метод в некотором смысле более реалистичен, поскольку для измерения заряда в нем не используются металлические электроды. Вместо этого частицы парят в воздухе, как аэрозоли в атмосфере.
В нем также используются более слабые электрические поля, чем в предыдущих лабораторных экспериментах, говорит Штёлльнер.
Однако кристаллы льда в облаках, а не аэрозоли, считаются основными игроками в возникновении молнии, и они по-своему сложны и странны.
Дэниел также отмечает, что солнечный свет, попадающий в атмосферу Земли, намного слабее, чем лазеры, используемые в эти эксперименты. Однако есть некоторые свидетельства того, что частицы пыли и аэрозоли могут заряжаться под действием ультрафиолетовых лучей – скорее всего, в результате однофотонного, а не многофотонного процесса, говорит Дэниел.
Пыль на Луне, которая бомбардируется ультрафиолетовым светом и солнечными ветрами, также заряжается и левитирует, засоряя луноходы и инструменты.
Таким образом, экспериментальная схема актуальна «не только для освещения и электрификации облаков», говорит Дэниел, «но и для решения проблем планетарной науки». и исследование космоса».
Исследование было опубликовано в журнале Physical Review Letters.
Исследование для этой статьи было частично поддержано журналистской резидентурой, финансируемой Институтом науки и технологий Австрии (ISTA). ISTA не имела никакого отношения к этой истории.
