Audra telpa į delną: štai kaip mokslininkai sugalvojo žaibą uždaryti į mažą dėžutę
Tikra audra vyksta kilometrais besitęsiančioje erdvėje ir siejama su maždaug 100 mln. voltų įtampa. Vis dėlto „Penn State University“ komanda teigia, kad svarbiausią šio proceso dalį galima atkartoti laboratorijoje – mažame izoliatoriaus bloke, vos kiek didesniame už nykštį. Jei idėja pasiteisins, žaibų tyrimai galėtų tapti gerokai paprastesni ir pigesni.
Žaibai – vienas iš tų reiškinių, kuriuos visi esame matę, tačiau iki galo vis dar nesuprantame. Aišku, kaip jie atrodo ir kokias pasekmes sukelia, bet jų susidarymo mechanizme tebėra daug mokslo spragų. Todėl kiekvienas bandymas bent dalį audros „perkelti“ į laboratoriją kelia didelį susidomėjimą, o fizikai prie šios temos nuolat sugrįžta.
Tokią idėją pasiūlė komanda, kuriai vadovauja Victoras Pasko iš „Penn State University“. Tyrime, publikuotame žurnale „Physical Review Letters“, mokslininkai aprašė įrenginio koncepciją, kuri galėtų atkurti spinduliuotę, panašią į tą, kuri lydi atmosferos išlydžius. Čia kalbama ne apie miniatiūrinį žaibą tiesiogine prasme, o apie svarbiausio fizikinio proceso, slypinčio už žaibo „gimimo“, atkartojimą. Būtent šis procesas tyrėjus domina labiausiai.
Simuliacijos rodo, kad tam pakaktų nedidelio izoliacinės medžiagos bloko – pavyzdžiui, stiklo, akrilo ar kvarco. Jis būtų tik kiek didesnis už kortų kaladę. Palyginimui, tikros audros formuojasi debesyse, kurie driekiasi daug kilometrų, tad mastelio skirtumas – milžiniškas.
Pasko ir jo kolegos jau ne vienerius metus tyrinėja atmosferos išlydžių fiziką. 2023 m. jie sukūrė matematinį modelį, aprašantį sąlygas, lemiančias žaibo susidarymą. Po metų šį modelį palygino su realiais stebėjimais, pasitelkdami antžeminius jutiklius, palydovinius duomenis ir matavimus iš aukštai virš audros debesų skrendančių orlaivių. Taip jie galėjo patikrinti, ar modelis sutampa su tikrove.
Šios analizės leidžia teigti, kad žaibas gimsta dėl grandininės reakcijos. Stiprūs elektriniai laukai pagreitina elektronus, o šie susiduria su ore esančiomis azoto ir deguonies molekulėmis. Tuomet susidaro rentgeno spinduliuotė, vėliau – naujos dalelės ir fotonai, kol galiausiai pasirodo danguje matomas blyksnis. Visas procesas trunka tik sekundės dalį.
Šis mechanizmas vadinamas reliatyvistine pagreitintų elektronų lavina. Paprastam stebėtojui svarbiausia tai, kad tai savaime įsisukantis reiškinys: kai tik jis prasideda, gali labai greitai stiprėti. Dėl to žaibai ir yra tokie staigūs bei galingi.
Naujajame darbe mokslininkai kėlė paprastą klausimą: ar įmanoma tokį mechanizmą atkurti daug mažesniu masteliu – ir ne didžiulėje įrangoje, o nedideliame kietos medžiagos gabale. Esminis veiksnys čia yra medžiagos tankis. Kietos medžiagos, tokios kaip stiklas ar akrilas, yra maždaug tūkstantį kartų tankesnės už orą. Tai reiškia, kad panašūs reiškiniai gali vykti gerokai trumpesniais atstumais. Kitaip tariant, tai, kam debesyje reikia kilometrų, tinkamoje medžiagoje galėtų įvykti nykščio dydžio objekte.
Tyrėjai tikrino, ar didelės energijos elektronų pluoštas galėtų tokiame bloke sužadinti spinduliuotę, panašią į tą, kuri pasireiškia žaibų metu. Rezultatai leidžia manyti, kad atkūrus pirmuosius reakcijos etapus, tolesnė proceso dalis galėtų palaikyti pati save. Tai laikoma vienu perspektyviausių visos koncepcijos aspektų.
„Jei būtų galima eksperimentuoti su į žaibus panašiomis sąlygomis ant stalo, kontroliuojamoje aplinkoje, tai būtų puiku. Tai kainuotų gerokai mažiau ir padėtų atsakyti į daugybę klausimų“, – universiteto pranešime cituojamas Victoras Pasko.
Šiandien audrų ir atmosferos išlydžių tyrimai yra sudėtingi, brangūs ir logistiškai keblūs. Reikia laukti tinkamų sąlygų, vežti įrangą į vietą, naudotis orlaiviais, radarais, palydovais ir jutiklių tinklais. Net ir tada mokslininkai turi ribotą kontrolę, ką konkrečiai pavyks užfiksuoti, todėl eksperimentus atlikti sunku.
Miniatiūrinis modelis leistų šią problemą bent iš dalies apeiti. Užuot „medžioję“ audras, tyrėjai galėtų laboratorijoje atkurti svarbiausias sąlygas ir žingsnis po žingsnio tikrinti skirtingas hipotezes. Tokia priemonė būtų naudinga inžinieriams, fizikams ir atmosferos specialistams.
Tai galėtų paspartinti ne tik paties išlydžio mechanizmo, bet ir audras lydinčios spinduliuotės tyrimus. Tokios žinios svarbios ne vien fundamentiniam mokslui – jos aktualios aviacijos saugumui, infrastruktūros apsaugai ir geresniam ekstremalių orų supratimui.
Vis dėlto vadinamoji „žaibo dėžutėje“ idėja kol kas išlieka simuliacijomis paremta koncepcija. Komandai dar teks ją patvirtinti eksperimentais – tik tuomet paaiškės, ar toks mastelio sumažinimas veikia ne tik kompiuteriniuose modeliuose.
Patys mokslininkai pabrėžia, kad dar reikia atsakyti į svarbius praktinius klausimus: kol kas nėra aišku, koks minimalus elektrinis laukas būtų būtinas, ir kaip efektyviausiai į kietą medžiagą įvesti elektronų pluoštą. Nuo šių detalių priklausys, ar idėją pavyks paversti realiu įrenginiu.
Nepaisant to, projektas neatrodo vien fantastika. Pasko primena, kad ankstesni tyrimai jau parodė galimybę atkurti į žaibų procesus panašias reakcijas palyginti nedidelėje aparatinėje įrangoje. Naujas darbas žengia dar vieną žingsnį ir siekia mastelį sumažinti dar labiau.
Jei tai pavyktų, mokslininkai gautų įrankį, kuris galėtų pakeisti žaibų tyrimus. Žinoma, audros tiesiogine prasme plastiko kube neuždarysi. Tačiau galbūt įmanoma jame „sutalpinti“ svarbiausią jos fizikos dalį – o tai mokslui būtų itin vertinga.
