Физики раскрыли тайну образования молнии

Ученые из Института науки и технологий Австрии разработали метод, позволяющий «ловить» и удерживать частицы с помощью двух лазерных лучей, заряжать их и наблюдать, как меняется их электрическое состояние. Это может объяснить образование молнии в грозовых облаках. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters (PRL).

Аэрозольные частицы — твердые или жидкие микрочастицы в воздухе — окружают нас повсюду, от пыльцы до соляных кристаллов у моря. Австрийская исследовательница Андреа Стелльнер занимается ледяными кристаллами в облаках. Чтобы понять, как такие кристаллы накапливают заряд, она использует модельные аэрозоли — прозрачные кремниевые частицы.

Совместно с коллегами Стелльнер создала установку, в которой две лазерные струи образуют оптическую «ловушку». Частица, попавшая в нее, удерживается на месте светом. Впервые поймав частицу два года назад, исследовательница смогла удержать ее лишь три минуты — теперь установка позволяет фиксировать объект неделями.

Первоначально ученые хотели измерять, как влажность влияет на заряд частиц, но обнаружили, что сами лазерные лучи заряжают их. Анализ показал: заряд возникает в результате двухфотонного процесса — когда два фотона одновременно выбивают электрон из частицы. Так она получает положительный заряд, который постепенно растет.

При этом по мере накопления заряда частица начинает и разряжаться — внезапными спонтанными всплесками. Подобные эффекты, как предполагается, могут происходить и в облаках.

В грозовых облаках ледяные кристаллы сталкиваются с крупными ледяными гранулами и обмениваются зарядом. Со временем электрический потенциал накапливается до такой степени, что возникает молния. Одна из гипотез гласит, что первые «искры» могут исходить от сильно заряженных ледяных кристаллов. Однако измеренное электрическое поле в облаках, по расчетам, слишком мало, чтобы объяснить этот процесс.

Новая установка ISTA дает возможность исследовать зарядовую динамику модельных «ледяных» частиц на микроуровне, чтобы понять, могут ли они создавать локальные разряды.

«Наши частицы уже показывают спонтанные разряды. Представьте, если однажды они создадут крошечные молнии — это было бы невероятно», — рассказала Стелльнер.

Хотя настоящие ледяные кристаллы в атмосфере гораздо крупнее экспериментальных, исследователи надеются, что наблюдение за микроскопическими процессами поможет раскрыть механизм зарождения молний — одного из главных тайн атмосферной физики.