Ученые раскрыли секрет рождения молнии: всему виной изгибающийся лед

Международная группа ученых сделала открытие, проливающее свет на природу одного из самых мощных и загадочных атмосферных явлений — молнии. Исследователи экспериментально подтвердили, что обычный лед способен генерировать электрический заряд при изгибе, и этот механизм может быть ключевым в процессе образования грозовых разрядов в облаках.

Хотя способность льда к электризации была известна науке, точные физические принципы этого явления долгое время оставались невыясненными. Ученые из Каталонского института нанонауки и нанотехнологий, Университета Сиань Цзяотун и Университета Стоуни-Брук обнаружили, что лед обладает свойством флексоэлектричества. Это означает, что электрический заряд возникает в нем в ответ на неоднородное механическое воздействие, такое как изгиб или скручивание.

Для подтверждения гипотезы исследователи создали так называемые ледяные конденсаторы — тонкие пластины чистого льда, помещенные между металлическими электродами. Эти образцы подвергали деформации с помощью специальной установки. В результате экспериментов было зафиксировано появление измеримого электрического заряда при всех исследованных температурах — от экстремально низких, около минус 130 градусов Цельсия, и вплоть до точки плавления льда.

Было обнаружено, что при охлаждении ниже минус 113 градусов Цельсия лед демонстрирует еще одно необычное электрическое поведение. Его поверхностный слой толщиной в несколько нанометров переходит в сегнетоэлектрическое состояние, приобретая способность сохранять стабильную электрическую поляризацию. Таким образом, у льда существуют два различных механизма генерации электричества в зависимости от температуры.

Это открытие имеет фундаментальное значение для метеорологии. Оно предлагает возможное объяснение давней загадке о том, как в грозовых облаках происходит разделение зарядов, необходимое для возникновения молнии. Считается, что этот процесс запускается при столкновении ледяных кристаллов и частиц мягкого града. Новое исследование показывает, что при таких соударениях частицы деформируются, и возникающий перекос механического напряжения генерирует флексоэлектрическую поляризацию. Расчеты показывают, что величина возникающего заряда достаточна для объяснения данных, полученных в earlier лабораторных экспериментах.

Помимо объяснения природных явлений, это открытие может послужить основой для новых технологий. Сила флексоэлектрического эффекта во льду сравнима с показателями некоторых современных керамических материалов, используемых в электронике. Это открывает перспективы для создания простых и недорогих электронных устройств на основе льда, способных работать в условиях крайнего севера или высоко в горах.