Моделирование показало что молнии можно воспроизвести внутри куска акрила размером с колоду карт
Американские физики-теоретики из Университета штата Пенсильвания совершили прорыв в понимании природы молний, доказав, что для их возникновения вовсе не обязательны грозовые тучи. Согласно новому исследованию, опубликованному в журнале Physical Review Letters, миниатюрные молнии можно создать прямо в лаборатории, используя обычные материалы вроде пластика, стекла или кварца.
Группа ученых под руководством профессора электротехники Виктора Паско применила те же математические модели, которые обычно используются для изучения гроз, но уменьшила масштаб до размеров, чуть превышающих колоду карт. С помощью детального численного моделирования исследователи выяснили, что в небольших блоках диэлектриков (изоляторов) при соблюдении определенных лабораторных условий могут возникать те же процессы, что и в грозовых облаках.
Ключевую роль в этом явлении играет так называемый «фотоэлектрический разряд обратной связи». Ранее считалось, что этот механизм, при котором поток разогнанных электрическим полем электронов лавинообразно нарастает, высвобождая гамма-лучи и рентгеновское излучение, возможен только в масштабах грозовых фронтов. Однако расчеты показали, что твердые материалы, такие как акрил, кварц или германат висмута, которые примерно в тысячу раз плотнее воздуха, способны воспроизвести те же электрические условия на пространстве в несколько сантиметров.
Ученые были поражены, когда модель продемонстрировала возможность возникновения разряда в материале, плотность которого в тысячу раз выше воздуха, причем в тысячу раз быстрее, чем в тучах — всего за одну миллиардную долю секунды. По словам Паско, это означает, что электрический потенциал, для достижения которого в природе требуется область облака протяженностью в километры и напряжение около 100 миллионов вольт, можно создать в куске материала размером меньше большого пальца.
В основе лежит теория лавины релятивистских убегающих электронов, которую команда разрабатывала ранее. В сильном электрическом поле электроны разгоняются до огромных скоростей, сталкиваются с атомами и выбивают новые электроны, создавая цепную реакцию. В грозах этот процесс порождает мощнейшие всплески гамма-излучения, уходящие в космос. Новая работа доказывает, что аналогичная цепочка запускается и в твердом теле при подаче мощного пучка электронов.
Если выводы теоретиков подтвердятся экспериментально, это откроет путь к созданию компактных и более безопасных источников рентгеновского излучения для медицинских кабинетов и служб безопасности в аэропортах. Однако главная ценность работы в другом: она позволит ученым изучать механизмы зарождения и распространения молний не в условиях дорогостоящих экспериментов с запуском ракет в грозовые тучи объемом в сотни кубических километров, а прямо на лабораторном столе. Это значительно ускорит исследования и сделает их намного более экономичными, что, в свою очередь, поможет ответить на множество вопросов в метеорологии и смежных областях науки. Паско подчеркивает, что осознание того факта, что напряжения и поля, теоретически идентичные грозовым, могут быть сгенерированы в крошечном объеме материала, стало для исследователей настоящим прорывом.