Zibens, kas debesīs uzplaiksnī gandrīz 9 miljonus reižu dienā, ir viens no iespaidīgākajiem dabas fenomeniem. Paradoksāli, ka teleskopu laikmetā, kad spējam vērot pat tālākās galaktikas, zinātnieki joprojām nav vienojušies, kas tieši negaisa mākoņos aizdedzina pirmo elektrisko dzirksteli, kas ierosina zibensizlādi. Lai gan pētnieki gadu desmitiem lidojuši cauri orkāniem, sūtījuši atmosfērā meteoroloģiskās zondes un filmējuši zibeņus ar īpaši ātrdarbīgām kamerām, zibens rašanās mehānisms joprojām ir neatrisināts noslēpums. Tieši tāpēc jaunā fiziķa Andreas Štelnera (Andrea Stöllner) negaidītais eksperiments var izrādīties īsts izrāviens un aizsākt pilnīgi jaunu posmu zibens izpētē.
Lāzeri, viens silīcija graudiņš un milzīgs jautājums
Austrijas Zinātnes un tehnoloģiju institūta pētnieks Andreas Štelners sākotnēji nemaz neplānoja pētīt zibens rašanos. Viņš izmantoja optiskās lāzerpinces, lai noskaidrotu, kā gaisma ietekmē vienu mikroskopisku silīcija daļiņu. Kā tas zinātnē bieži gadās, tieši neveiksmīgs eksperiments pavēra negaidītas iespējas. Štelners pamanīja, ka lāzera stari var piešķirt daļiņām elektrisko lādiņu – parādību, kas sen zināma, bet kuras precīzs mehānisms līdz šim bijis neskaidrs. Šis novērojums negaidīti sasaucās ar vienu no vissarežģītākajiem jautājumiem atmosfēras fizikā: kas īsti ierosina zibensizlādi?
Pētījuma gaitā zinātnieks ar komandu ar lāzerstariem „noķēra” vienu sīku silīcija graudiņu un vēroja, kā tas, palielinoties gaismas intensitātei, pamazām ieguva lādiņu. Daļiņa elektriskajā laukā sāka drebēt, it kā pakļautos neredzamam gaismas ritmam. Mērījumi parādīja, ka graudiņš absorbē divus fotonus, kuru iedarbībā no tā izsit elektronus – rezultātā silīcija daļiņa kļūst par pozitīvi lādētu oscilējošu daļiņu.
Jums varētu patikt šie:
Sīka izlāde, kas atgādina zibeni
Lielākais pārsteigums atklājās vēlāk. Dažas daļiņas, kuras lāzerlamatās turēja pat veselas nedēļas, pēkšņi pārstāja spēcīgi vibrēt – to lādiņš vienā mirklī pazuda. Tā bija spontāna elektriskā izlāde. Patiesi, ārkārtīgi maza, saistīta tikai ar dažu desmitu elektronu zudumu, taču pēc būtības šis process ļoti atgādināja to, kas atmosfērā var kļūt par zibens pirmo ierosinājumu.
„Mēs nezinām, kāpēc tas notiek, bet lādiņš vienkārši ļoti ātri izzūd. Jautājums ir ļoti līdzīgs zibens rašanās problēmai, tikai mikroskopiskā mērogā,” skaidro Štelners.
Tas var būt pavisam jauns ceļš, kā saprast, kā negaisa mākoņos lādētās daļiņas – īpaši ledus kristāli – var pēkšņi izlādēties un radīt to pirmo liktenīgo dzirksteli.
Kāpēc zibens izcelsme joprojām slēpjas mākoņos?
Zinātniekiem jau sen zināms, ka negaisa mākoņi ir pilni ar elektriski lādētām daļiņām. Galvenā teorija vēsta, ka, saduroties ledus kristāliem ar mīkstāka ledus gabaliņiem – tā saukto graupeli –, tie iegūst pretēja zīmes lādiņus. Šie lādiņi mākoņos sadalās, veidojot elektrisko lauku. Taču mērījumi, kas veikti ar sondēm un lidmašīnām, rāda, ka šis lauks ir pārāk vājš, lai pārvērstu gaisu par labu elektrības vadītāju un izraisītu zibensizlādi. Šis jautājums zinātniekus mulsina jau aptuveni pusgadsimtu – kaut kāda būtiska detaļa joprojām trūkst.
Iespējams, mākoņos pastāv līdz šim nepamanīti ļoti mazi, bet ārkārtīgi spēcīgi elektriskie „salas lauki”. Varbūt daļa ledus kristālu uzvedas pavisam citādi, nekā līdzšinējās teorijas pieņem. Pastāv arī hipotēze, ka kosmiskie stari, kas nepārtraukti bombardē Zemes atmosfēru, izraisa elektronu plūsmu, kura varētu ierosināt zibens ķēdes reakciju. Arī mūsdienās eksperti atzīst: visticamāk, darbojas vairāki atšķirīgi mehānismi vienlaikus, kas kopā rada zibensizlādi.
Jums varētu patikt šie:
Miniatūras laboratorijas kā ceļš līdz īstiem negaisa mākoņiem
Okinavas Zinātnes un tehnoloģiju institūta fiziķis Dans Danijels (Dan Daniel) uzsver, ka Štelnera metode ir neparasti precīza. Spēja noturēt vienu submikronisku daļiņu gaisā, piešķirt tai lādiņu un izmērīt to ar ārkārtīgu precizitāti ir milzīgs solis uz priekšu. Šāda pieeja nākotnē var ļaut pētīt, kā tieši lādējas ledus kristāli vai ūdens pilieni, no kuriem veidojas negaisa mākoņi.
Pētījums laboratorijas apstākļus tuvo reālajai atmosfērai vairāk nekā līdzšinējie eksperimenti. Tajā netika izmantoti metāla elektrodi, kas varētu kropļot mērījumus. Daļiņas brīvi peldēja gaisā gluži kā aerosoli atmosfērā. Turklāt izmantotie elektriskie lauki bija daudz vājāki nekā agrākos eksperimentos.
Protams, mākoņos zibens parasti neiedarbojas no aerosoliem, bet gan no komplicētas formas ledus kristāliem. Turklāt Saules gaisma atmosfērā ir daudz vājāka nekā jaudīgie lāzera stari laboratorijā. Tomēr ir zināms, ka gaisā esošās daļiņas lādiņu var iegūt arī UV starojuma ietekmē – šis process notiek pat uz Mēness, kur Saules gaismas ielādētas putekļu daļiņas sāk levitēt un var traucēt mēnesskulguru darbību.
No zibens līdz kosmiskajiem putekļiem – plašāka nozīme
Štelnera eksperiments var ietekmēt daudz vairāk nekā tikai atmosfēras fizikas nozari. Ja izdosies precīzi izskaidrot, kā mikroskopiskas daļiņas iegūst elektrisko lādiņu un kā to pēkšņi zaudē, tas sniegs jaunas zināšanas par planētu atmosfērām, kosmisko putekļu uzvedību un pat spēcīgu kosmisko vētru rašanos.
Šis pētījums gan ir tikai sākums. Pašlaik novērotās spontānās mikroskopiskās izlādes atgādina tikai zibens pirmo impulsa fāzi, tomēr to mehānisms var izrādīties izšķirošs, lai saprastu, kā no šķietama nekā rodas milzīga elektriskā izlāde, kas apdraud cilvēku dzīvības, bet vienlaikus apbur ar savu skaistumu. Ja Štelnera komandai izdosies noskaidrot, kāpēc lādēta daļiņa pēkšņi zaudē savu lādiņu, tas var kļūt par pirmo patiesi nozīmīgo soli septiņdesmit gadu garumā neatrisinātās atmosfēras fizikas mīklas atminēšanā.
Fotoattēli ir ilustratīvi © Canva.
