Ученые «приручили» молнию в лаборатории

Научное сообщество уже давно считает, что для понимания природы молнии требуется огромное грозовое облако. Однако новое исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, показывает, что мини-молнии можно встроить внутри небольшого пластикового блока.

Его авторы предположили, что силу молнии можно использовать, уменьшать и воспроизводить на лабораторном столе внутри куска 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 простираться на километры в небо. Все, что нужно, это плотность.

"Мы применили те же математические модели, которые используем для изучения молний, ​​но уменьшили их до размера чуть больше колоды карт. Наши расчеты показали, что если обеспечить мощный источник электронов, молнию можно индуцировать в обычных изоляционных материалах - стекле, плексигласе и кварце", - сказал профессор Виктор Паско из Университета штата Пенсильвания.

Коэффициент плотности

Молния запускается так называемой лавиной релятивистских убегающих электронов. В электрическом поле грозового облака электроны ускоряются так быстро, что сталкиваются с молекулами воздуха, лавинообразно накапливая энергию и производя мощные всплески.

Эта цепная реакция — фотоэлектрическая обратная связь — производит мощные всплески рентгеновских и гамма-лучей, которые могут достигать глубокого космоса.

Детальное моделирование показало, что фотоэлектрические разряды можно воспроизводить в небольших твердых блоках в лабораторных условиях. Для этого подойдут плотные материалы, такие как оргстекло, кварц или германат висмута.

Плотность этих веществ в 1000 раз выше, чем у воздуха, поэтому экстремальные электрические потенциалы могут быть достигнуты, имитируя грозовые условия, в очень небольшом пространстве.

Только представьте: потенциал в 100 миллионов вольт можно создать на расстоянии всего лишь нескольких 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 грозовых облаков — за одну миллиардную долю секунды», — признался Паско.

Эти симуляции также показывают, что мощный электронный луч может вызвать такую ​​же фотоэлектрическую обратную связь, подобную молнии, в обычных твердых телах — раньше считалось, что это возможно только на небе.

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

Сокращение научных затрат

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

В прошлом исследователям приходилось полагаться на непредсказуемые методы поиска молний, ​​такие как запуск ракет в облака для сбора данных. Теперь все, что нужно, — это лабораторный стенд, на котором можно точно манипулировать различными атмосферными переменными для детального изучения этого явления.

Помимо экономии средств, это может проложить путь к созданию меньших по размеру и более безопасных источников рентгеновского излучения для применения в медицине и безопасности.

«Если бы мы могли экспериментировать с грозовыми условиями на обычном столе в контролируемой среде, это было бы здорово – гораздо более рентабельно и ответило бы на множество вопросов», – заключил Паско.

Пока это чисто теоретическая работа, но если за ней последует экспериментальное подтверждение, окутанная тайной загадка молнии, возможно, будет наконец разгадана - а небо, как видим, для этого вовсе не нужно.