Ученые «приручили» молнию в лаборатории

В научном сообществе долгое время считалось, что для понимания природы молнии необходима огромная грозовая туча. Однако новое исследование в журнале Physical Review Letters показывает, что мини-молнии можно устроить внутри небольшого пластикового блока.

Его авторы предположили, что мощь молнии можно обуздать, уменьшить и воспроизвести на лабораторном столе внутри кусочка оргстекла размером не больше колоды карт. Численное моделирование продемонстрировало, что разряды, подобные молниям, могут возникать в твердых материалах шириной всего в несколько сантиметров, а не растягиваться на километры в небе. Все, что для этого нужно, — плотность.

«Мы применили те же самые математические модели, которые используем для исследования молний, но уменьшили масштаб до размеров чуть больше колоды карт. Наши расчеты показали: если обеспечить мощный источник электронов, молнию можно вызвать в обычных изоляционных материалах — стекле, оргстекле и кварце», — рассказал профессор Виктор Паско из Университета штата Пенсильвания.

Фактор плотности

Молнию запускает так называемая лавина релятивистских убегающих электронов. В электрическом поле грозовой тучи электроны разгоняются настолько быстро, что сталкиваются с молекулами воздуха, лавинообразно наращивая энергию и производя мощные всплески.

Эта цепная реакция — фотоэлектрическая обратная связь — порождает интенсивные всплески рентгеновского и гамма-излучения, которые могут достигать дальнего космоса.

Детальное моделирование показало, что фотоэлектрические разряды можно воспроизвести в небольших твердых блоках в лаборатории. Для этого подходят плотные материалы, такие как оргстекло, кварц или германат висмута.

Плотность этих веществ в 1000 раз выше, чему у воздуха, поэтому можно достигать экстремальных электрических потенциалов, имитируя условия грозы, в совсем небольшом пространстве.

Просто представьте: потенциал в 100 миллионов вольт может быть сгенерирован на расстоянии всего в несколько сантиметров, а не километров.

«Мы были поражены, потому что нам удалось смоделировать те же явления в материале, который в тысячу раз плотнее воздуха, и в тысячу раз быстрее, чем в грозовых облаках — за одну миллиардную долю секунды», — признался Паско.

Эти симуляции также показывают, что мощный пучок электронов может запустить ту же фотоэлектрическую обратную связь, подобную молнии, в обычных твердых телах — то, что раньше считалось возможным только в небе.

Более глубокое понимание этих механизмов обратной связи может помочь разгадать давние загадки зарождения и распространения молний в атмосфере Земли.

Снижение научных затрат

Воссоздание молнии в контролируемых лабораторных условиях дает как научные, так и практические преимущества.

Раньше исследователям приходилось полагаться на непредсказуемые методы охоты за грозами, например, запускать ракеты в облака для сбора данных. Теперь же для этого достаточно лабораторного стола, где можно точно манипулировать различными атмосферными переменными, чтобы досконально изучить явление.

Помимо экономии средств, это может открыть путь к созданию более компактных и безопасных источников рентгена для медицины и систем безопасности.

«Если бы мы могли экспериментировать с условиями, подобными грозовым, на обычном столе в контролируемой среде, это было бы замечательно — гораздо экономичнее и позволило бы ответить на множество вопросов», — заключил Паско.

Пока это сугубо теоретическая работа, но если за ней последует экспериментальное подтверждение, окутанная тайной загадка молнии может быть наконец раскрыта — и небо для этого, как видим, вовсе не обязательно.