Молния начинается не в небе, а в пылинке — новый метод показывает, откуда может родиться разряд

Тайна молний остаётся одной из наиболее интригующих проблем атмосферной физики: миллионы разрядов происходят ежедневно, но учёные до сих пор не знают, что именно запускает первую искру. Новое исследование неожиданно приблизило науку к разгадке, объединив лазерные технологии и микрочастицы. Парадоксально, но прорыв возник в момент, когда эксперимент начал выходить за рамки планируемого.

Как исследователи подошли к тайне появления молний?

Международная группа физиков, работавшая под руководством Андреа Штёлльнер из Института науки и технологий Австрии, изучала свойства лазерных "пинцетов" — техники, позволяющей захватывать микроскопические частицы и удерживать их в воздухе. Цель эксперимента изначально была достаточно узкой: понять, как диоксид кремния — распространённый материал в атмосфере — приобретает заряд в оптической ловушке.

Лазеры создают переменное электрическое поле, и когда нейтральная частица начинает накапливать заряд, её движение становится заметно сильнее. Исследователи выяснили, что частица поглощает сразу два фотона, что приводит к выбросу электронов и появлению положительного заряда. Это позволило измерять заряд с высокой точностью и отслеживать изменение параметров в реальном времени.

Однако спустя недели наблюдений произошло нечто неожиданное: частица внезапно теряла накопленный заряд и практически переставала вибрировать. Это явление напоминало миниатюрный разряд — процесс, который в атмосфере может быть первым шагом к возникновению молнии. Удивительность эффекта заключалась в том, что микроразряд происходил спонтанно и не был вызван корректировкой лазера или параметров ловушки.

Исследователи сразу обратили внимание на аналогию: если подобные микроразряды возможны в условиях лаборатории, аналогичные процессы могут происходить на уровне частиц в облаках. Этот эффект способен запускать цепную реакцию заряжения, приводящую к электрическому пробою — тому самому явлению, которое мы видим как яркий и звуковой разряд молнии.

Почему природа молний остаётся неопределённой?

Несмотря на столетия наблюдений, происхождение молний до сих пор не объяснено полностью. Большинство существующих теорий основано на взаимодействии кристаллов льда, града и водяных капель внутри грозового облака. Считается, что столкновения частиц создают накопление зарядов, формируя мощные электрические поля.

Но проблема заключается в том, что измеренные поля внутри облаков часто оказываются слишком слабыми, чтобы вызвать пробой воздуха — ключевой момент, запускающий молнию. Это противоречие уже много лет заставляет учёных искать альтернативные объяснения. Некоторые модели предполагают существование локальных областей с аномально высоким напряжением, которые пока не удалось зарегистрировать.

Существуют и другие предположения: например, влияние космических лучей высокой энергии, которые могут запускать ионизационные цепочки в облаках. Однако доказательств пока недостаточно — в значительной степени потому, что облака трудно исследовать напрямую.

Обнаруженная в лаборатории спонтанная микроразрядка частиц создаёт новую перспективу: если подобные процессы происходят в атмосфере, они могут объяснить, как появляется начальная искра при относительно слабом электрическом поле. Об этом сообщает издание New-science.

"Дальнейшее изучение позволит проверить, какие условия — влажность, давление, размеры частиц — влияют на вероятность микроразряда.", — подчёркивают исследователи.

Новое направление в изучении атмосферного электричества

Главным преимуществом метода лазерной оптической ловушки является возможность исследовать одиночные частицы без использования металлических электродов. Это крайне важно, поскольку электроды искажали бы поле и не позволяли моделировать природные условия.

Благодаря новой методике физики получили:

• возможность измерять заряд с точностью до отдельных электронов;
• контроль над внешними факторами — интенсивностью лазера, параметрами ловушки, микроколебаниями;
• условия, близкие к тем, что встречаются в атмосфере;
• возможность изучать мгновенные разряды в масштабе, недоступном для наблюдения в облаках.

Это открывает перспективы для микроскопического анализа процессов электризации, лежащих в основе молний, а также для изучения поведения пыли и микрочастиц на других небесных телах. Например, заряженная лунная пыль ведёт себя необычно и может зависать над поверхностью — это также связано с процессами накопления и разрядки заряда.

Кроме того, изучение микроразрядов помогает лучше понять явления, происходящие в грозовых фронтах Земли, где разнообразие частиц, влажности и температур создаёт сложную электрическую среду.

Сравнение существующих гипотез происхождения молний

Для лучшего понимания контекста полезно сравнить три самые обсуждаемые гипотезы.

Искровая модель на основе льда и града.

Предполагает, что электризация вызывается столкновениями частиц. Главная слабость — измеренные поля часто недостаточны для пробоя воздуха.

Гипотеза космических лучей.

Считает, что заряженные частицы из космоса создают ионизационные каскады, которые запускают разряд. Пока не хватает прямых наблюдений.

Микроразрядная модель на основе одиночных частиц.

Новый подход: если частица может спонтанно разряжаться, это может стать первой искрой. Исследование показывает реальный физический механизм, но требует изучения условий.

Сравнение гипотез делает ясно, что новое открытие вписывается в существующие модели и может стать недостающим элементом, объясняющим начало разряда.

Плюсы и минусы нового метода

Появившаяся методика имеет как сильные стороны, так и определённые ограничения.

Плюсы:

• высокая точность измерений;
• отсутствие электродов, создающих помехи;
• возможность изучать одиночные микрочастицы;
• потенциальное объяснение начальных процессов возникновения молний.

Минусы:

• лабораторные условия пока значительно проще атмосферных;
• необходимо масштабирование модели;
• неясно, насколько часто такие микроразряды происходят в природе;
• длительные эксперименты требуют стабильной работы лазерной ловушки.

Методика даёт новое направление для исследований, но её предстоит проверять при разнообразных условиях.

Популярные вопросы о происхождении молний

Почему происхождение молний до сих пор загадка?

Потому что внутреннюю структуру грозовых облаков трудно изучать напрямую — измерения ограничены.

Может ли новая методика объяснить начало разряда?

Она показывает физический механизм микроразрядов, но требует дополнительных исследований.

Какую роль может играть космическое излучение?

Оно может создавать ионизационные каскады, способные усиливать напряженность полей в облаках.

Можно ли создать молнию в лаборатории?

Создать разряд можно, но имитировать реальные процессы зарождения крайне сложно.

Ускорит ли новое открытие решение загадки?

Да, оно создаёт новый экспериментальный инструмент для изучения микропроцессов электризации.

Новое исследование предлагает свежий взгляд на то, как может возникать первый шаг к молнии — небольшая искра, запускающая последующий разряд. Микроразрядка одиночной частицы показывает, что ключевые механизмы могут скрываться на уровне микроскопии, недоступной прежним экспериментам. Этот подход не только продвигает атмосферную науку вперёд, но и открывает возможности для изучения электростатики в разных условиях, от земных грозовых облаков до поверхности Луны. Впереди у исследователей сложная работа, но найденный метод уже стал важным шагом к разгадке молниевой тайны.