6 Minutės
Kai laboratorijoje eksperimentas nepavyksta, tai gali atverti naujas galimybes. Būtent taip nutiko Andreai Stöllner ir jos komandai: netikėtas vienos sulaikytos dalelės elgesys tapo nauju, didelės raiškos būdu tyrinėti, kaip gamta gali inicijuoti žaibą. Naudodami lazerius kaip optinius pincetus, mokslininkai stebėjo mikroskopinį įkrovimą ir staigius iškrovimus, kurie miniatiūriškai atkartoja vieną seniausių atmosferos fizikos paslapčių.
Why lightning initiation still puzzles scientists
Žaibas apšviečia planetą beveik 9 milijonus kartų per dieną, sukeldamas dramatiškas elektrines iškrovas, kurios žmones traukė šimtmečius. Nepaisant išsamių lauko kampanijų, ore skrendančių matavimų ir itin didelės spartos filmavimo, mechanizmas, paleidžiantis pirmąjį žaibo žingsnį kumulonimbuso viduje, tebėra nevisiškai suprantamas. Pagrindiniai ingredientai yra žinomi: susidūrimai tarp graupelio (minkštos krušos) ir ledo kristalų išskiria krūvius, sukurdami stiprias elektrines laukines audrose. Vis dėlto išmatuotos lauko stiprybės dažnai nepasiekia teorinio slenksčio, reikalingo, kad oras taptų laidus.
Tarp matymo ir teorijos esantis skirtumas paskatino kelias hipotezes. Galbūt egzistuoja mažos, bet labai intensyvios lauko kišenės, kurių prietaisai nepagauna. Gal kosminės spinduliuotės trumpam jonizuoja oro stulpelį ir užžiebia iškrovą. Arba patys ledo kristalai gali patirti mikroskopinius krūvių mainus, kurie palaipsniui išauga į didesnius reiškinius. Kaip Joseph Dwyer ir Martin Uman pažymėjo 2014 m., arba mūsų debesų matavimuose kažko trūksta, arba mūsų iškrovų fizikos supratimas audrose yra neišsamus.
How lasers and a single silica particle became a laboratory lightning lab
Stöllner, fizikas iš Institute of Science and Technology Austria, iš pradžių neturėjo tikslo išspręsti žaibo paslapties. Bendradarbiaudama su Scott Waitukaitis ir Caroline Muller, ji panaudojo optinių pincetų sistemą vienai submikroninei silicio dioksido dalelei (silica) sulaikyti ore ir stebėti jos elektrinį krūvį. Palaipsniui didinant lazerio intensyvumą, komanda nustatė, kad neutralioji dalelė gali tapti teigiamai įkrauta: daugifotoninė absorbcija iš gaudymo lazerio išlaisvino elektronus, palikdama grūdą su bendra teigiama įmoka.
Kai dalelė kaupė krūvį, ji pradėjo svyruoti alternuojančiuose optiniuose ir elektriniuose laukuose gaudyklėje. Šie judesiai buvo matuojami itin jautriai, suteikiant mokslininkams precedento neturintį, nuolatinį dalelės krūvio būsenos skaitymą. Tačiau kai kuriais bandymo kartais įkrauta dalelė staiga mažiau energingai svyruodavo — greitas krūvio netekimas, arba „mikroiškrova“. Šis greitas iškrovos įvykis yra intriguojantis, nes gerokai didesniu mastu panašus bėgimas galėtų būti žaibo vado (leader) pradžia.
Vienas iš eksperimentuose pastebėtų „mikroiškrovų“. Įterptėje matomas iškrovos dydis maždaug 30 elektronų (30e).
What the microdischarges tell us — and what they don't
Eksperimentinė sistema turi kelis pranašumus, palyginti su ankstesniais laboratoriniais metodais. Ji matuoja įkrovimą be metalinių elektrodų, taigi dalelė laisvai plūduriuoja ore panašiai kaip aerozolis ar dulkė atmosferoje. Naudojami elektriniai laukai yra palyginti silpni, artimesni sąlygoms, esančioms kumulonimbuso viduje, nei daugelyje ankstesnių eksperimentų. Be to, krūvio skaitymas veikia labai dideliu raiškingumu: komanda gali aptikti pokyčius vos kelių elementarių krūvių lygiu.
Vis dėlto aiškių ribotumų yra nemažai. Debesų elektrifikacijoje centrinį vaidmenį, tikėtina, atlieka ledo kristalai, o ne silicio dioksido dulkės; ledo formos yra kompleksinės, jų paviršiaus chemija įtakoja krūvių mainus. Saulės šviesa ir ultravioletinė spinduliuotė, pasiekiančios Žemės atmosferą, yra daug silpnesnės nei laboratorijoje naudojami lazeriai, o kai daugifotoniniai procesai dominuoja esant intensyviam lazerio apšvietimui, natūrali jonizacija per ultravioletą arba kosminius spindulius gali vykti visai kitomis trajektorijomis. Dan Daniel, fizikas iš Okinawa Institute of Science and Technology, gyrė metodikos techninį tikslumą ir kartu atkreipė dėmesį, kad būtina susieti šiuos mikrofizikos stebėjimus su tikromis debesų dalelėmis, tokiomis kaip ledo kristalai ir vandens lašeliai.
Implications for atmospheric electricity and planetary science
Net jei 10 elektronų nė kada nepavers žaibo, šie eksperimentai suteikia mikroskopinį langą į krūvio kaupimąsi ir staigų iškrovimą ore plūduriuojančiose dalelėse. Tai yra svarbu, nes žaibo iniciacija greičiausiai priklauso nuo grandinės mikroskopinių įvykių, kurie amplifikuojasi į makroskopinius srautus. Jei atskiros dalelės iškrovos gali būti suveikiamos aplinkos sąlygų, tokių kaip drėgmė, slėgis ar dalelės dydis, šie suveikimai galėtų būti modeliuojami ir ieškomi audrose.
Už Žemės ribų šis požiūris turi planetarinę reikšmę. Mėnulio dulkės įkraunamos veikiant saulės UV spinduliuotei ir plazmai, dėl to jos gali suliptis arba net levituoti, trukdydamos instrumentams ir rovers. Supratimas, kaip smulkūs grūdeliai įgauna ir praranda krūvį, padeda planuoti misijas ir paviršiaus operacijas Mėnulyje, Marse ir kituose dulkiuose pasauliuose. Be to, laboratorinės metodikos, vengiančios elektrodų ir matuojančios laisvai plūduriuojančias daleles, geriau imituoja aerozolių ir dulkių dinamiką visoje Saulės sistemoje nei tradiciniai, elektrodais paremti bandymai.
What comes next for the research
Stöllner ir jos kolegos plečia eksperimentus, kad išbandytų, kaip dalelės dydis, drėgmė, dujų slėgis ir medžiagos sudėtis veikia įkrovimo ir iškrovimo elgseną. Jie planuoja sulaikyti vandens lašelius ir ledo daleles, kad patikrintų, ar pasirodys panašios mikroiškrovos. Jei taip nutiks, tai sustiprintų šių atradimų aktualumą debesų elektrifikacijai ir žaibo inicijavimui. Komanda taip pat tiria spontaniškų iškrovų suveikimo mechanizmą: ar tai paviršiaus būsenos pokytis, mechaninė instabilumas, ar staigus vietinis oro pralaidumo sužlugimas?
Mokslininkai rūpestingai vengia per didelių prielaidų. „Mes nežinome, kaip tai vyksta, bet iš esmės krūvis tiesiog labai greitai nukrenta,“ Stöllner sakė kolegoms. „Mus labai domina sužinoti, kas tai sukelia, ir tai iš esmės tas pats klausimas kaip žaibo iniciacija, tiesiog šiuo itin, itin mažyčiu mastu.“
Expert Insight
„Laboratorinė precizika atskiros dalelės lygiu yra tiksliai tai, ko reikia užpildyti spragą tarp debesų masto stebėjimų ir mikroskopinės fizikos,“ teigia Dr. Lena Moreno, hipotetinė atmosferos fizikos specialistė ir mokslo komunikatorė. „Jeigu net ir santykinai silpnos iškrovos pasireikš realistiškuose ledo arba lašelio analoguose, galėsime pradėti žemėlapyti, kaip mikrofizika kaskaduoja į makro-dydžio važiuojančius vadus. Tai būtų esminis žingsnis link ilgai trunkančios paslapties išsprendimo atmosferos elektros srityje.“
Broader technologies and future prospects
Studijoje naudotos technikos — optinis gaudymas, jautrus krūvio skaitymas ir kontroliuojama daugifotoninė jonizacija — sparčiai bręsta. Jas būtų galima taikyti tirti aerozolių įkrovimą užterštose atmosferose, kometų grūdų įkrovimą ar dulkių sąveikas su kosminiais aparatais ir jų paviršiais. Jeigu tarpdisciplininės komandos galės sulaikyti ledą valdomose aplinkose ir tuo pačiu keisti ultravioletinės srovės bei kosminių spindulių analogus, skirtumas tarp laboratorinių sąlygų ir debesų galėtų dar labiau sumažėti.
Kol kas ryšys tarp mikroskopinių lazerio sukeltų iškrovų ir didžiulio kumulonimbuso elektrinio architektūros lieka spekuliatyvus, bet perspektyvus. Šie eksperimentai dar nepateikia teiginio, kad jie reprodukuoja žaibo iniciaciją, tačiau jie atveria naują eksperimentinį kelią: ištirkite pačias mažiausias kibirkštis, ir pamažu galėsite atkurti, kaip prasideda didžiausios.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą