То, что может показаться сюжетом из будущего – изучение механизмов электризации облаков при помощи лазеров – сегодня стало реальностью в лабораториях Института науки и технологий Австрии (ISTA). Исследователи, захватывая и заряжая в воздухе мельчайшие частицы сфокусированными лучами света, наблюдают за эволюцией их электрического состояния. Эти передовые изыскания, результаты которых опубликованы в журнале Physical Review Letters, обещают пролить свет на фундаментальный вопрос: что именно провоцирует удар молнии.
В основе исследования лежит работа с аэрозолями – микроскопическими каплями или твёрдыми частицами, постоянно присутствующими в воздухе. Некоторые из них, например весенняя пыльца, видны невооружённым глазом, другие – вирусы гриппа или даже мельчайшие соляные частицы, приносимые морским ветром, – остаются совершенно невидимыми. Аспирантка ISTA Андреа Штёлльнер, работающая над проектом в группах Вайтюкайтиса и Мюллера, сосредоточена на поведении кристаллов льда, формирующихся в облаках. Чтобы глубже понять процесс накопления заряда этими кристаллами, она использует в качестве моделей прозрачные микросферы из диоксида кремния.
Совместно с бывшим постдоком ISTA Исааком Лентоном, доцентом ISTA Скоттом Вайтюкайтисом и другими коллегами, Андреа Штёлльнер разработала уникальную методику. Она позволяет захватывать, стабилизировать и электрически заряжать одну-единственную частицу диоксида кремния при помощи двух пересекающихся лазерных лучей. Эта установка открывает новые горизонты для изучения начальных стадий электризации облаков и механизмов возникновения молний.
Лаборатория Андреа Штёлльнер напоминает высокотехнологичный центр: массивный стол, уставленный отполированными металлическими компонентами, и зелёные лазерные лучи, пересекающие пространство, отражаясь от зеркал. Постоянное, едва слышное шипение наполняет воздух. «Это антивибрационный стол», – поясняет Штёлльнер, указывая на его критическую роль в защите лазеров от малейших возмущений в помещении или от соседнего оборудования, что абсолютно необходимо для выполнения сверхточных измерений.
Лучи проходят через череду выверенных оптических элементов, прежде чем сойтись в два тонких потока, проникающих в герметичную камеру. В точке их пересечения образуется концентрированное световое пятно, способное удерживать крошечные частицы. Эти «оптические пинцеты» позволяют удерживать дрейфующие аэрозоли в течение достаточно долгого времени для их тщательного изучения. Когда частица успешно захвачена, появляется яркая зелёная вспышка, подтверждающая, что «ловушка» поймала светящуюся, идеально круглую аэрозольную сферу.
«Когда я впервые поймала частицу, я была на седьмом небе от счастья», – вспоминает Штёлльнер свой прорывной момент, случившийся за два года до этого, прямо перед Рождеством. «Скотт Вайтюкайтис и мои коллеги бросились в лабораторию и быстро взглянули на захваченную аэрозольную частицу. Это длилось ровно три минуты, а затем частица исчезла. Теперь мы можем удерживать её в этом положении неделями». Достижение такого уровня контроля заняло почти четыре года. Изначально установка, разработанная Лентоном, предназначалась лишь для удержания одной частицы, анализа её заряда и изучения влияния влажности на этот заряд. Однако учёные столкнулись с неожиданностью: лазер, используемый для удержания, сам начал заряжать аэрозольные частицы.
Андреа Штёлльнер и её команда обнаружили, что частицы приобретают заряд посредством так называемого «двухфотонного процесса». Обычно аэрозольные частицы практически не имеют суммарного заряда, поскольку электроны – отрицательно заряженные частицы – вращаются в составе каждого атома. Лазерные лучи состоят из фотонов – частиц света, движущихся со скоростью света. Когда два фотона одновременно попадают в частицу и поглощаются ею, они могут выбить один электрон. Потеря электрона придаёт частице единицу положительного заряда, и при продолжительном воздействии света частица становится всё более положительно заряженной.
Для Штёлльнер идентификация этого процесса открыла новые возможности. «Теперь мы можем точно наблюдать эволюцию одной аэрозольной частицы по мере её зарядки от нейтрального состояния до сильно заряженного, а также регулировать мощность лазера для контроля скорости этого процесса», – объясняет она. Интересно, что по мере накопления заряда частица также начинает его терять внезапными, короткими импульсами. Эти спонтанные разряды дают важные подсказки о процессах, которые могут естественным образом происходить в атмосфере.
Высоко в небе, внутри облаков, частицы могут испытывать схожие циклы накопления и высвобождения заряда. Грозовые облака содержат смесь ледяных кристаллов и более крупных кусков льда. При столкновениях они обмениваются электрическими зарядами. Со временем облако настолько электрически разбалансируется, что формируется молния. Одна из теорий предполагает, что первая искра молнии может возникнуть непосредственно из заряженных ледяных кристаллов. Однако точный механизм образования молний остаётся неразгаданным. Другие теории выдвигают гипотезу о том, что космические лучи запускают процесс, поскольку производимые ими заряженные частицы ускоряются в существующих электрических полях. По словам Штёлльнер, современная научная точка зрения такова: в обоих сценариях электрическое поле внутри облаков кажется слишком слабым для самостоятельного инициации молнии.
«Наша новая установка позволяет нам исследовать теорию ледяных кристаллов, внимательно изучая динамику зарядки частиц во времени», – утверждает Штёлльнер. Хотя природные ледяные кристаллы в облаках значительно крупнее, чем используемые в лаборатории частицы диоксида кремния, команда надеется, что понимание этих мелкомасштабных эффектов поможет раскрыть более масштабные процессы, приводящие к возникновению молний. «Наши модельные ледяные кристаллы демонстрируют разряды, и, возможно, за этим кроется нечто большее. Только представьте, если в конечном итоге они создадут супер крошечные искры молнии – это было бы так здорово», – добавляет она с улыбкой, предвкушая будущие открытия.
