Китайские физики создали в лаборатории миниатюрную шаровую молнию и приблизились к разгадке её природы

Шаровая молния представляет собой редкое природное явление, которое очевидцы обычно описывают как светящуюся сферу, возникающую во время грозы. По свидетельствам наблюдателей, такие образования способны перемещаться в воздухе, сохранять форму в течение нескольких секунд и исчезать с громким хлопком либо без заметного звука. Однако достоверных инструментальных наблюдений крайне мало, поэтому единого объяснения происхождения шаровых молний до сих пор не существует.

Исследователи из Шанхайского института оптики и точной механики Китайской академии наук решили проверить гипотезу, согласно которой шаровая молния может представлять собой электромагнитный солитон. Так называют локализованную волновую структуру, способную сохранять устойчивость благодаря взаимодействию электромагнитного поля с окружающей средой.

В основе эксперимента лежало использование сверхкороткого лазерного импульса и тончайшего вольфрамового острия. Учёные направляли лазерное излучение на металлическую проволоку, возбуждая вдоль её поверхности мощные терагерцовые электромагнитные волны. По мере движения к острию энергия концентрировалась в чрезвычайно малом объёме, создавая электрическое поле напряжённостью более 10 миллиардов вольт на метр.

Рядом с остриём находилась струя аргона. Под действием сильного электрического поля электроны отрывались от атомов газа, превращая его в плазму — состояние вещества, состоящее из заряженных частиц. В результате возникало небольшое светящееся образование сферической формы.

Первоначальный размер плазменного шара составлял около 80 микрометров, что сопоставимо с толщиной человеческого волоса. Затем образование расширялось, достигая нескольких сотен микрометров, но при этом сохраняло относительно устойчивую сферическую структуру.

Особенно необычной оказалась продолжительность его существования. Лазерный импульс, запустивший процесс, длился чрезвычайно короткое время, однако сформировавшаяся плазменная структура продолжала существовать порядка 100 наносекунд. Для повседневного восприятия это почти мгновение, но по сравнению с ранее исследованными короткоживущими электромагнитными солитонами продолжительность увеличилась на несколько порядков.

Чтобы понять природу свечения, физики использовали высокоскоростную съёмку и спектральный анализ. Они проследили изменение размеров плазменного шара и исследовали испускаемое им электромагнитное излучение в диапазоне от ультрафиолетового до инфракрасного.

Измерения показали, что электронная температура плазмы постепенно снижалась примерно с 6 до 0,5 электронвольта. При этом скорость расширения и характер охлаждения не соответствовали поведению обычного свободно расширяющегося облака горячего газа.

Компьютерное моделирование помогло объяснить наблюдаемую устойчивость. Согласно расчётам, часть терагерцового электромагнитного излучения удерживалась внутри плазменной структуры. Давление электромагнитного поля и движение заряженных частиц создавали условия, при которых энергия не рассеивалась сразу после завершения лазерного импульса.

Полученные результаты согласуются с моделью электромагнитного солитона, в котором излучение и плазма образуют связанную динамическую систему. Именно такой механизм ранее рассматривался в качестве одного из возможных объяснений необычно продолжительного существования шаровой молнии.

Исследователи также рассчитали, как подобные структуры могли бы вести себя при других частотах электромагнитного излучения. Моделирование показало, что в микроволновом диапазоне размеры устойчивых плазменных образований теоретически могут достигать метров, а время их существования — нескольких секунд. Такие параметры уже сопоставимы с некоторыми описаниями природных шаровых молний.

Однако полученный в лаборатории объект нельзя считать полноценным воспроизведением атмосферной шаровой молнии. Его размеры и продолжительность существования значительно меньше, а условия формирования существенно отличаются от процессов, происходящих во время грозы. Пока неизвестно, могут ли в атмосфере возникать электромагнитные поля и плазменные структуры, необходимые для реализации такого механизма.

Помимо изучения атмосферных явлений, эксперимент представляет интерес для физики плазмы и фотоники. Возможность локализовать сильное электромагнитное поле внутри сравнительно устойчивой структуры может оказаться полезной при исследовании способов удержания энергии и взаимодействия мощного излучения с веществом. При этом практические технологии хранения энергии на основе подобных образований пока не созданы.

Работа китайских физиков впервые позволила подробно проследить формирование и эволюцию макроскопического терагерцового электромагнитного солитона в контролируемом эксперименте. Хотя загадка природной шаровой молнии остаётся неразгаданной, исследование предоставляет экспериментальную основу для проверки одной из наиболее интересных физических гипотез её происхождения.

Исследование опубликовано в журнале Nature Photonics.

Источник