Žaibai, nušviečiantys dangų beveik 9 milijonus kartų per dieną, yra vienas įspūdingiausių gamtos reiškinių. Tačiau paradoksalu tai, kad net ir turėdami teleskopus, gebančius stebėti tolimas galaktikas, mokslininkai iki šiol nesutaria, kas tiksliai įžiebia pirmąjį elektros kibirkštį audros debesyse. Nors tyrėjai dešimtmečius skraidė per uraganus, leido meteorologinius balionus ir filmavo audras didžiuliu greičiu, žaibo pradžia išlieka neįminta mįslė. Būtent todėl netikėtas jaunos fizikos tyrėjos Andream Stöllner eksperimentas gali tapti tikru lūžio tašku – ir pradėti naują žaibų tyrimų etapą.
Lazeriai, vienas silicio grūdelis ir didžiulis klausimas
Andrea Stöllner iš Austrijos Mokslo ir technologijų instituto iš pradžių visiškai neketino tyrinėti žaibų kilmės. Ji naudojosi optinėmis „lazerių žnyplėmis“, siekdama suprasti, kaip šviesa gali paveikti vieną mikroskopinę silicio dalelę. Tačiau kaip dažnai nutinka moksle, nesėkmingas bandymas atvėrė naujas duris. Stöllner pastebėjo, kad lazerio spinduliai gali suteikti dalelėms krūvį – seniai žinomą reiškinį, bet iki šiol menkai suprastą. Šis atradimas netikėtai susijungė su vienu gajausių klausimų atmosferos fizikoje: kas įžiebia žaibą?
Tyrimo metu mokslininkė ir jos komanda vieną mažytę silicio dalelę įkalino lazerio spindulių spąstuose ir stebėjo, kaip, didinant šviesos intensyvumą, ji pamažu įgauna krūvį. Dalelė pradėdavo virpėti elektriniame lauke, tarsi pasiduodama nematomam šviesos ritmui. Komandos matavimai rodė, kad dalelė sugeria du fotonus, o šie išlaisvina elektronus – taip silicio grūdelis tampa teigiamai įkrautas.
Maža iškrova, kuri gali priminti žaibą
Didžiausia staigmena laukė vėliau. Kai kurie spąstuose laikomi grūdeliai, išbuvę lazerio spinduliuose net kelias savaites, staiga nustojo taip stipriai virpėti – jų krūvis akimirksniu nukrito. Tai buvo spontaninė iškrova. Nepaprastai maža, susijusi vos su keliomis dešimtimis elektronų, tačiau pats reiškinys savo esme priminė tai, kas atmosferoje gali tapti žaibo užuomazga.
„Mes nežinome, kodėl taip nutinka, bet krūvis tiesiog labai greitai dingsta. Tai – labai panašus klausimas, kaip ir žaibo iniciacija, tik mikroskopinėje skalėje“, – teigė Stöllner.
Tai gali būti visiškai naujas kelias suprasti, kaip įelektrintos dalelės audros debesyse, ypač ledo kristalai, gali netikėtai išsikrauti ir sukurti tą pirmąją lemtingą kibirkštį.
Kodėl žaibo kilmė vis dar slepiasi už debesų?
Mokslininkai jau seniai žino, kad perkūnijos debesyse gausu krūvį sukaupusių dalelių. Pagrindinė teorija teigia: kai ledo kristalai susiduria su minkštu ledu vadinamu graupeliu, jie įsikrauna priešingais krūviais. Šie krūviai pasiskirsto debesyje ir sukuria elektrinį lauką. Tačiau šio lauko stiprumas, matuojamas balionais ar lėktuvais, yra per silpnas, kad oras imtų veikti kaip laidininkas ir prasidėtų žaibas. Tai glumina jau pusę amžiaus – kažko trūksta.
Galbūt mokslininkai dar nepastebėjo mažyčių, bet labai intensyvių elektrinių „salelių“ debesyse. Galbūt tam tikri kristalai elgiasi kitaip, nei tikėtasi. O gal kosminiai spinduliai, nuolat bombarduojantys Žemės atmosferą, išlaisvina elektronų srautą, galintį paleisti žaibo grandinę. Net ir šiandien ekspertai pripažįsta – tikriausiai egzistuoja keli skirtingi scenarijai, kurie kartu gali sukelti žaibą.
Miniatiūrinės laboratorijos, atveriančios kelią į tikro dydžio audras
Fizikas Dan Daniel iš Okinavos mokslo ir technologijų instituto pabrėžia, kad Stöllner metodas yra išskirtinai tikslus. Gebėti įkalinti vieną submikroninę dalelę ore, suteikti jai krūvį ir matuoti jį su milžinišku tikslumu – tai didelis šuolis. Toks tikslumas gali leisti ateityje ištirti, kaip įsikrauna ledo kristalai arba vandens lašai, kurie ir sudaro audros debesis.
Šis tyrimas taip pat priartina laboratoriją prie realaus pasaulio sąlygų. Jame nenaudojami metaliniai elektrodai, galintys iškraipyti matavimus. Dalelės sklendžia ore tarsi aerozoliai atmosferoje. Be to, panaudoti žymiai silpnesni elektriniai laukai nei ankstesniuose eksperimentuose.
Tiesa, debesyse žaibus dažniausiai inicijuoja ne aerozoliai, o sudėtingos formos ledo kristalai. Be to, saulės šviesos intensyvumas atmosferoje yra kur kas silpnesnis nei laboratorijos lazeriai. Tačiau žinoma, kad dalelės ore gali įsikrauti ir nuo UV spinduliuotės – šis procesas vyksta net Mėnulyje, kur dulkės, gavusios Saulės spindulių, tampa įkrautos ir pradeda levituoti, trukdydamos roveriams.
Nuo žaibų iki kosminių dulkių – platesnė tyrimo reikšmė
Stöllner eksperimentas gali turėti įtakos ne tik atmosferos fizikai. Jei pavyktų tiksliai išaiškinti, kaip mikroskopinės dalelės įsikrauna ir išsikrauna, tai suteiktų įžvalgų apie planetų atmosferas, dulkių elgseną kosmose ir net galingų kosminių audrų formavimąsi.
Šis tyrimas – dar tik pradžia. Kol kas spontaninės mikroskopinės iškrovos tik primena žaibo užuomazgą, bet jų mechanizmas gali būti gyvybiškai svarbus norint suprasti, kaip iš nieko gimsta milžiniškas elektros blyksnis, keliantis grėsmę žmogaus gyvybei ir kartu stebinantis savo grožiu. Jeigu Stöllner komandai pavyks nustatyti, kodėl įkrauta dalelė staiga išsikrauna, tai gali tapti pirmuoju realiu žingsniu į mįslės, lydinčios atmosferos mokslą jau septynis dešimtmečius, išsprendimą.
Nuotraukos asociatyvinės © Canva.
