Использование лазеров для изучения электризации облаков
Учёные из Института науки и технологий Австрии (ISTA) используют лазеры как пинцеты для изучения электризации облаков. Они ловят и заряжают микроскопические частицы лазером, чтобы наблюдать за их динамикой зарядки и разрядки.
Этот метод, опубликованный в Physical Review Letters, может дать ключ к пониманию того, что вызывает молнии.
Аэрозоли и их роль
Аэрозоли — это жидкие или твёрдые частицы, которые плавают в воздухе. Они повсюду вокруг нас. Некоторые из них большие и видимые, например, пыльца весной, в то время как другие, такие как вирусы, распространяющиеся во время сезона гриппа, не видны невооружённым глазом.
Исследование ледяных кристаллов
Аспирант Андреа Штёлльнер из групп Вайтукайтиса и Мюллера в ISTA изучает ледяные кристаллы в облаках. Австрийский учёный использует модельные аэрозоли — крошечные прозрачные частицы диоксида кремния — чтобы исследовать, как эти ледяные кристаллы накапливают и взаимодействуют с электрическим зарядом.
Новый метод ловли частиц
Штёлльнер вместе с бывшим постдоком ISTA Исааком Лентоном, доцентом Скоттом Вайтукайтисом и другими разработали способ поймать, удержать и электрически зарядить одну частицу диоксида кремния с помощью двух лазерных лучей.
Этот подход может быть применён в различных областях, включая разгадку того, как облака электризуются и что вызывает молнии.
Экспериментальная установка
Штёлльнер стоит перед большим столом, покрытым блестящими металлическими гаджетами. Зелёные лазерные лучи пересекают пространство, отражаясь от серии маленьких зеркал. Штёлльнер объясняет, что стол с антивибрационной системой играет решающую роль в поглощении любых вибраций из комнаты и близлежащего оборудования — это необходимо для точных работ с лазерами.
Лучи зигзагами обходят своего рода полосу препятствий, в конце концов сливаясь в два потока, которые вливаются в контейнер. Здесь два луча встречаются и создают «ловушку», где крошечные объекты удерживаются на месте одним только светом, действуя как «оптические пинцеты».
Успешный захват частицы
Внутри этой «волшебной коробки» частицы дрейфуют мимо пинцетов. Внезапно появляется зелёная вспышка, сигнализирующая об успехе: идеально круглая, ярко-зелёная светящаяся аэрозольная частица была поймана и крепко удерживается пинцетами.
«В первый раз, когда я поймала частицу, я была на седьмом небе от счастья», — говорит Штёлльнер, вспоминая свой момент озарения два года назад, незадолго до Рождества.
Открытие механизма зарядки
Штёлльнер и её коллеги обнаружили, что лазеры заряжают частицу посредством «двухфотонного процесса». Обычно аэрозольные частицы близки к нейтральному заряду, с электронами (отрицательно заряженными частицами), вращающимися вокруг каждого атома частицы.
Лазерные лучи состоят из фотонов (частиц света, движущихся со скоростью света), и когда два таких фотона поглощаются одновременно, они могут «выбить» один электрон из частицы. Таким образом, частица получает один элементарный положительный заряд.
Динамика зарядки аэрозольных частиц
Для Штёлльнер раскрытие этого механизма — захватывающее открытие, которое она может использовать в своих исследованиях. «Теперь мы можем точно наблюдать эволюцию одной аэрозольной частицы по мере её зарядки от нейтральной до сильно заряженной и регулировать мощность лазера для контроля скорости».
Это наблюдение также показывает, что по мере того, как частица становится положительно заряженной, она начинает разряжаться, то есть периодически высвобождает заряд в спонтанных вспышках.
Понимание формирования молний
Грозовые облака содержат ледяные кристаллы и более крупные ледяные шарики. Когда они сталкиваются, они обмениваются электрическими зарядами. В конце концов, облако становится настолько заряженным, что образуется молния.
Одна из теорий предполагает, что первая маленькая искра молнии может быть инициирована самими заряженными ледяными кристаллами. Однако точная наука, стоящая за явлением формирования молний, остаётся загадкой.
Альтернативные теории предполагают, что процесс инициируют космические лучи, поскольку заряженные частицы, которые они создают, ускоряются за счёт уже существующих электрических полей. Согласно Штёлльнер, однако, в научном сообществе сейчас считается, что в любом случае электрическое поле в облаках слишком слабое, чтобы вызвать молнии.
«Наша новая установка позволяет нам исследовать теорию ледяных кристаллов, внимательно изучая динамику зарядки частицы с течением времени», — объясняет Штёлльнер.
Хотя ледяные кристаллы в облаках намного больше модельных, учёные ISTA теперь стремятся расшифровать эти микромасштабные взаимодействия, чтобы лучше понять общую картину.
«Наши модельные ледяные кристаллы демонстрируют разряды, и, возможно, в этом есть нечто большее. Представьте, если бы они в конце концов создавали сверхмаленькие молнии — это было бы так круто», — говорит Штёлльнер.
Предоставлено Институтом науки и технологий Австрии.