Ученые из Института науки и технологий Австрии разработали инновационный метод изучения электрических процессов в облаках с помощью лазерных технологий. Исследователи используют сфокусированные лучи света как "оптические пинцеты" для захвата и удержания отдельных аэрозольных частиц, что позволяет наблюдать их электризацию в реальном времени. Эта работа, опубликованная в Physical Review Letters, приближает науку к пониманию фундаментальных механизмов возникновения молний.
В лабораторных условиях ученые работают с модельными аэрозолями - микроскопическими прозрачными сферами из диоксида кремния, которые имитируют ледяные кристаллы в облаках. Два пересекающихся лазерных луча создают точку концентрации света, способную удерживать частицы в подвешенном состоянии неделями. Как вспоминает аспирантка Андреа Штёльнер, первый успешный захват частицы стал настоящим прорывом, хотя изначально удержание длилось всего три минуты.
Неожиданным открытием стало то, что сам лазерный луч заряжает захваченные частицы. Исследователи идентифицировали "двухфотонный процесс", при котором два фотона одновременно поглощаются частицей, выбивая один электрон и сообщая частице положительный заряд. Подобные квантовые взаимодействия, когда атом или молекула одновременно поглощают два фотона, также наблюдаются в других областях, включая двухфотонную микроскопию для биологических исследований, лазерную спектроскопию и даже в астрофизических процессах, таких как гамма-всплески. Продолжительное облучение постепенно увеличивает заряд, что позволяет ученым контролировать этот процесс, регулируя мощность лазера.
Этот метод открывает уникальные возможности для долгосрочных наблюдений. "Теперь мы можем точно отслеживать эволюцию отдельной аэрозольной частицы от нейтрального состояния до высокого заряда", - объясняет Штёльнер. Ученые обнаружили, что по мере накопления заряда частицы начинают спонтанно разряжаться короткими импульсами, что может моделировать природные процессы в атмосфере.
Наблюдаемые явления имеют прямое отношение к формированию молний в грозовых облаках, где сталкивающиеся ледяные кристаллы обмениваются электрическими зарядами. Одна из теорий предполагает, что первые искры возникают именно от заряженных ледяных частиц. Однако механизм этого процесса до конца не изучен, поскольку современная наука считает, что электрического поля внутри облаков, обычно не превышающего 100-200 кВ/м, недостаточно для самостоятельного пробоя воздуха, для которого требуется около 3 МВ/м. Поэтому исследуются альтернативные механизмы, включая воздействие космических лучей, которые ионизируют воздух и создают проводящие каналы, а также процессы, связанные со столкновениями ледяных частиц и капель воды, генерирующими заряды.
Новая экспериментальная установка позволяет проверить теорию ледяных кристаллов, детально изучая динамику заряда частиц. По словам исследователей, наблюдаемые миниатюрные разряды в лабораторных условиях могут указывать на аналогичные процессы, происходящие на большой высоте. "Наши модельные ледяные кристаллы демонстрируют разряды - возможно, это лишь начало. Представьте, если они в конечном итоге создадут крошечные молнии - это было бы невероятно", - с улыбкой добавляет Штёльнер.
Источник: This glowing particle in a laser trap may reveal how lightning begins