Когда вы представляете молнию, она, как правило, довольно проста — зубчатая полоса света, которая раскалывает небо и исчезает за меньшее время, чем нужно, чтобы моргнуть.
Но на протяжении веков вырисовывалась странная картина более жуткой формы.
Тысячи записей и свидетельств очевидцев рассказывают о шарах молний, парящих над землей, а затем исчезающих, как мыльные пузыри.
Это мимолетное явление практически невозможно изучить – и отчеты сильно различаются по описаниям его размера, оттенка и даже поведения, что делает его одной из самых необычных загадок в науке об атмосфере.
Но если невозможно поймать шаровую молнию в поле, рассуждают физик Чулян Чжоу и его коллеги из Китайской академии наук, возможно, мы сможем узнать больше, воспроизведя что-то подобное в лаборатории.
«Здесь мы сообщаем о первом контролируемом поколении макроскопического долгоживущего солитона, движимого релятивистскими терагерцовыми электромагнитными полями», — пишут исследователи в статье, опубликованной в журнале. Природная фотоника.
«Эта работа создает доступную для лабораторий платформу для исследования физики оптических солитонов, передовых механизмов хранения энергии и давней научной загадки шаровой молнии».
Frameborder=”0″allow=”акселерометр; автозапуск; буфер обмена-писать; зашифрованные носители; гироскоп; картинка в картинке; web-share” Referrerpolicy=”strict-origin-when-cross-origin”allowfullscreen>Солитон — это, по сути, одна автономная волна, которая сохраняет свою форму и структурную целостность благодаря хрупкому балансу физических сил.
Они могут образовываться в плазме, воде, свете и, возможно, даже в некоторых биологических мембранах – практически в любой среде, где конкурирующие физические эффекты могут уравновешиваться для поддержания стабильной волны.
Некоторые теории предполагают, что шаровая молния — это разновидность электромагнитного солитона, удерживающего энергию в плазменной оболочке.
Чтобы выяснить, смогут ли они создать такой солитон, исследователи обратились к очень, очень заостренному куску вольфрама.
Да, это было немного сложнее, но вольфрамовая игла с диаметром кончика всего 100 нанометров сыграла важную роль. Для примера, человеческий волос имеет диаметр от 80 000 до 100 000 нанометров.
Исследователи направили на иглу ультракороткий лазерный импульс, создав мощную электромагнитную волну, которая распространилась по ее длине.
Когда волна достигла кончика, ее энергия сконцентрировалась в чрезвычайно интенсивном электрическом поле, которое отрывало электроны от атомов в ожидающем облаке газообразного аргона, создавая перегретый пузырь ионизированного аргона – плазму.
Он мерцал и возник как крошечный шар света.
Хрупкая светящаяся сфера начиналась как укол диаметром около 80 микрометров, а затем в течение следующих 100 наносекунд расширилась до более крупного укола в несколько сотен микрометров.
Может показаться, что это не так уж много времени, но оно значительно дольше, чем электромагнитный импульс, из которого он родился. И вместо того, чтобы просто рассеяться, как обычное облако горячей плазмы, сфера сохраняла свою структуру по мере расширения.
Исследователи отследили это расширение и проанализировали длины волн света, излучаемого сферой при охлаждении, сравнивая свои наблюдения с теоретическими моделями и компьютерным моделированием.
Исследователи обнаружили, что это расширение соответствует теоретическим предсказаниям для электромагнитного солитона.
Это говорит о том, что электромагнитная энергия оставалась в плазме, помогая поддерживать светящийся шар, даже когда он расширялся.
Напротив, их моделирование теплового расширения в обычной плазме привело к гораздо более быстрому и более диффузному процессу.
Но крошечная точка света в тщательно контролируемом лабораторном эксперименте далека от диких атмосферных условий, в которых обычно наблюдаются шаровые молнии.
Итак, исследователи использовали свои теоретические модели, чтобы увидеть, как это явление может вести себя в более крупных масштабах, вызванное низкочастотным электромагнитным излучением.
Их расчеты показали, что электромагнитные солитоны, движимые микроволнами, а не терагерцовым излучением, теоретически могут вырасти до метров в поперечнике и сохраняться в течение нескольких секунд.
Это гораздо ближе к рассказам некоторых очевидцев о том, как ведут себя загадочные шары молний.
Это далеко не окончательное объяснение шаровой молнии, но решение метеорологических загадок — не единственное потенциальное применение этих крошечных огненных шаров.
Способность улавливать электромагнитную энергию в стабильной, локализованной структуре может также открыть новые возможности для технологий хранения энергии и изучения того, как свет взаимодействует с материей в экстремальных условиях.
«Наш контролируемый лабораторный подход к пространственно-временным характеристикам в настраиваемых условиях обеспечивает систематический путь к расшифровке вековой загадки образования шаровой молнии», — пишут исследователи.
«Объединив фотонику экстремального поля, науку о плазме и атмосферную геофизику, наши результаты переопределяют терагерцовые платформы как механизмы открытия как прикладных технологий, так и нерешенных природных явлений».
Исследование опубликовано в Природная фотоника.
Эта статья была проверена Ребеккой Дайер и отредактирована Ребеккой Дайер. Хотя мы гордимся своим процессом, мы всего лишь люди. Если вы заметили ошибку, пожалуйста, сообщите нам.
