Ученые нашли новый способ изучать тайну происхождения молний
Физики разработали новый метод, который может помочь раскрыть одну из самых давних загадок атмосферной науки — происхождение молний. Исследование, проведенное международной группой ученых под руководством Андреа Штёлльнер из Института науки и технологий Австрии, случайно открыло способ изучения того, что может быть первоначальной искрой для разряда молнии, с помощью лазеров и одной микроскопической частицы.
Как часто бывает в науке, когда эксперименты Штёлльнер пошли не по плану, это привело ее к чему-то даже более интересному. Исследователи изучали способность оптических лазерных «пинцетов» заряжать частицы в своей ловушке. Ученые использовали лазеры, чтобы захватить единственную микроскопическую частицу диоксида кремния и измерить ее заряд. Когда нейтральная частица накапливает заряд, она начинает «вибрировать» в переменном электрическом поле лазера. Измерения команды показали, что частица, вероятно, поглощает два фотона от лазера, что высвобождает электроны и оставляет ее с положительным зарядом.
Однако ученые заметили нечто неожиданное: иногда, после того как частица находилась в ловушке в течение недель, она внезапно переставала так сильно вибрировать. Это спонтанная микроразрядка, которая, если бы она произошла в атмосфере, могла бы запустить нечто большее, подобно молнии. Штёлльнер подчеркивает, что связь с молнией на данном этапе является умозрительной, но явление представляет собой ту же самую загадку — что вызывает начальную искру, только в крошечном масштабе. Теперь исследователи планируют изучить, влияют ли на эти разряды размер частиц, влажность или давление.
Несмотря на то, что ежедневно на Земле вспыхивают миллионы молний, точный механизм их зарождения внутри грозовых облаков остается неизвестным. Существующие теории, в основном основанные на наблюдениях и моделировании, сложно проверить в лаборатории. Ведущая гипотеза предполагает, что ледяные кристаллы в облаках заряжаются при столкновении с мягким градом, создавая электрическое поле. Однако измеренные внутри облаков поля слишком слабы для пробоя воздуха. Возможно, существуют необнаруженные области с более сильными полями, или свою роль играют высокоэнергетические космические лучи.
Новый метод, разработанный командой Штёлльнер, позволяет с высочайшей точностью изучать процессы заряда и разряда на уровне одной частицы, без использования металлических электродов, что делает условия более приближенными к атмосферным. Как отметил физик Дэн Дэниэл, не участвовавший в исследовании, этот подход открывает путь к микроскопическому пониманию электрификации облаков и атмосферного электричества. Кроме того, эта методика может найти применение в планетарных науках, например, для изучения заряженной лунной пыли.
Исследование было в журнале Physical Review Letters.