Naučnici hvataju čestice laserima da otkriju misteriju nastanka munja

Korišćenje lasera kao pincete da bi se bolje razumelo naelektrisanje oblaka možda zvuči kao naučna fantastika. Međutim, na Institutu za nauku i tehnologiju Austrije to je stvarnost.

Hvatanjem i električnim punjenjem čestica mikronske veličine pomoću lasera, istraživači sada mogu da posmatraju dinamiku njihovog punjenja i pražnjenja tokom vremena. Ova metoda, predstavljena u Physical Review Letters, mogla bi da pruži ključne uvide u to šta pokreće munje, saopštio je Institut za nauku i tehnologiju Austrije (ISTA).

Preporučujemo

Aerosoli su tečne ili čvrste čestice koje lebde kroz vazduh. One su svuda oko nas. Neke su velike i vidljive, poput polena u proleće, dok se druge, poput virusa, ne mogu videti golim okom. Nekima čak možemo da osetimo i ukus, poput kristala soli u vazduhu koje udišemo na moru.

Ledeni kristali unutar oblaka

Doktorantkinja Andrea Štelner fokusira se na ledene kristale unutar oblaka. Ova austrijska naučnica koristi modelske aerosole – sićušne, prozirne čestice silicijum-dioksida – kako bi istražila na koji način ovi ledeni kristali akumuliraju električno naelektrisanje i stupaju u interakciju s njim.

Štelner je, zajedno sa bivšim postdoktorandom na ISTA Isakom Lentonom, docentom Skotom Vajtukaitisom i drugima, razvila način da uhvati, zadrži i naelektriše jednu česticu silicijum-dioksida koristeći dva laserska zraka. Ovaj pristup ima potencijal za primenu u različitim oblastima, uključujući razjašnjavanje načina na koji se oblaci naelektrišu i šta to pokreće munje.

- Kada sam prvi put uhvatila česticu, bila sam presrećna. Skot i moje kolege su uleteli u laboratoriju i na kratko bacili pogled na uhvaćenu aerosolnu česticu. To je trajalo tačno tri minuta, a onda je čestica nestala. Sada možemo da je držimo u tom položaju nedeljama – rekla je Štelnerova.

Bilo joj je potrebno skoro četiri godine da dovede eksperiment do tačke u kojoj bi mogao da pruži pouzdane podatke, počevši od prethodne verzije aparature koju je razvio njen bivši kolega Lenton.

- Prvobitno, naša aparatura je napravljena samo da drži jednu česticu, analizira njeno naelektrisanje i utvrdi kako vlažnost menja njeno naelektrisanje. Ali do toga nikada nismo stigli. Otkrili smo da laser koji koristimo zapravo sâm naelektriše naše aerosolne čestice – rekla je Štelnerova.

Naučnica i njene kolege otkrili su da laseri mogu da naelektrišu česticu putem „dvofotonskog procesa“.

Štelnerova dodaje da je razotkrivanje ovog mehanizma je uzbudljivo otkriće koje može da iskoristi u svom istraživanju.

- Sada možemo precizno da posmatramo evoluciju jedne aerosolne čestice dok se njeno naelektrisanje menja od neutralnog do visokog, kao i da prilagođavamo snagu lasera kako bismo kontrolisali brzinu tog procesa – objasnila je ona.

Ovo posmatranje takođe otkriva da, kako čestica postaje pozitivno naelektrisana, ona počinje da se prazni, što znači da povremeno otpušta naelektrisanje u spontanim naletima. Visoko iznad naših glava, nešto slično bi moglo da se dešava i u oblacima.

Olujni oblaci i čestice

Olujni oblaci sadrže ledene kristale i veće komade leda. Kada se oni sudare, dolazi do razmene električnog naelektrisanja. Na kraju, oblak postaje toliko naelektrisan da nastaje munja. Jedna teorija sugeriše da bi prva mala iskra munje mogla da nastane na samim naelektrisanim ledenim kristalima. Međutim, tačna nauka koja stoji iza fenomena nastanka munja i dalje je misterija. S druge strane, alternativne teorije sugerišu da kosmički zraci pokreću ovaj proces, jer se naelektrisane čestice koje oni stvaraju ubrzavaju usled već postojećih električnih polja. Međutim, prema rečima Štelnerove, trenutno shvatanje u naučnoj zajednici je da, u oba slučaja, električno polje u oblacima deluje previše slabo da bi izazvalo munju.

- Naša nova aparatura nam omogućava da istražimo teoriju ledenih kristala detaljnim ispitivanjem dinamike naelektrisanja čestice tokom vremena - objašnjava ona.

Iako su ledeni kristali u oblacima mnogo veći od ovih modelskih, naučnici sa ISTA sada imaju cilj da dešifruju ove interakcije na mikro-nivou kako bi bolje razumeli širu sliku.

- Naši modeli ledenih kristala pokazuju pražnjenja i možda se tu krije nešto više. Zamislite da oni na kraju stvore sićušne iskre munja – to bi bilo tako kul – rekla je Štelnerova.

(Telegraf Nauka/ISTA)