Учени създадоха миниатюрна кълбовидна мълния в лаборатория, за да разгадаят вековната загадка около явлението

Учени създадоха в лабораторни условия миниатюрна кълбовидна мълния, която може да разгадае вековна мистерия, съобщи „Сайънс алърт“, като се позова на изследване, публикувано в списание Nature Photonics.
Обикновено мълнията изглежда по съвсем стандартен начин - като назъбена ивица светлина, която разцепва небето и изчезва по-бързо от мигване на окото. Но от векове насам се появяват свидетелства за нейна по-странна форма. Хиляди архиви и разкази на очевидци описват светещи кълба, които кръжат над земята, преди да изчезнат с пукот като сапунени мехури. Поради своята краткотрайност феноменът е изключително труден за проучване. Описанията на неговия размер, цвят и поведение се различават значително, което го нарежда сред най-дълбоките мистерии в атмосферните науки.
Тъй като кълбовидната мълния не може да бъде уловена сред природата, физикът Чулян Джоу и колегите му от Китайската академия на науките решават, че биха могли да научат повече за нея, ако я пресъздадат в лабораторни условия. „Представяме първия успешен опит за контролирано създаване на макроскопичен, дълготраен солитон, задвижван от мощни терахерцови електромагнитни полета“, пишат изследователите в научния труд. „Тази разработка осигурява достъпна в лабораторни условия платформа за изследване на физиката на оптичните солитони, съвременните механизми за съхранение на енергия, както и на дългогодишната научна загадка за кълбовидната мълния.“
Солитонът по същество е единична, самоподдържаща се вълна, която запазва формата и структурната си цялост благодарение на деликатен баланс от физични сили. Такъв тип вълни могат да се формират в плазма, вода, светлина и потенциално дори в някои биологични мембрани - на практика във всяка среда, където конкуриращи се физични ефекти могат да се уравновесят, за да поддържат стабилна вълна. Някои теории предполагат, че кълбовидната мълния е вид електромагнитен солитон, който улавя енергията в плазмена обвивка.
За да разберат дали могат да създадат такъв солитон, изследователите използват волфрамова игла. В действителност процесът е малко по-сложен, но волфрамовата игла с връх с диаметър от едва 100 нанометра се оказва от ключово значение. За сравнение, дебелината на човешки косъм варира между 80 000 и 100 000 нанометра.
Изследователите насочват ултракъс лазерен импулс към иглата, генерирайки мощна електромагнитна вълна, която се разпространява по нейната дължина. Когато вълната достига върха, енергията ѝ се концентрира в свръхинтензивно електрическо поле. То откъсва електрони от атомите в разположен наблизо облак от газ аргон, създавайки силно нагрят мехур от йонизиран аргон - плазма. Именно тя лумва за миг под формата на миниатюрно светлинно кълбо.
Краткотрайната светлинна сфера се появява като точка с диаметър около 80 микрометра, след което през следващите 100 наносекунди се разширява до няколкостотин микрометра. Това може да не изглежда като дълъг период от време, но е значително по-продължително от електромагнитния импулс, от който се е родила. Вместо просто да се разсее като обикновен облак от гореща плазма, сферата запазва структурата си, докато се разширява.
Изследователите проследяват това разширяване и анализират дължината на светлинните вълни, които сферата излъчва при охлаждането си, като сравняват наблюденията си с теоретични модели и компютърни симулации. Учените установяват, че това разширяване напълно съвпада с теоретичните предсказания за електромагнитен солитон. Това свидетелства, че електромагнитната енергия е останала уловена в плазмата, помагайки за поддържането на светещото кълбо дори по време на неговото разширяване. За разлика от това, техните симулации на топлинното разширение в обикновена плазма показват много по-бърз и дифузен процес.
Въпреки това, една миниатюрна светлинна точка в строго контролиран лабораторен експеримент е далеч от бурните атмосферни условия, при които обикновено се съобщава за появата на кълбовидна мълния. Поради тази причина изследователите използват своите теоретични модели, за да проверят как би протекло явлението в по-големи мащаби, задвижвано от по-нискочестотно електромагнитно излъчване. Техните изчисления показват, че електромагнитните солитони, задвижвани от микровълни, а не от терахерцово лъчение, теоретично биха могли да достигнат размери от няколко метра и да съществуват в продължение на секунди. Това е много по-близо до разказите на очевидци за поведението на мистериозните кълбовидни мълнии.
Разработката все още е далеч от окончателно обяснение на феномена, но разрешаването на тези природни загадки не е единственото потенциално приложение на миниатюрните огнени кълба. Способността да се улавя електромагнитна енергия в стабилна, локализирана структура може да открие нови хоризонти пред технологиите за съхранение на енергия и изследването на взаимодействието на светлината с материята при екстремни условия.
„Нашият контролиран лабораторен подход за пространствено-времева характеристика при регулируеми условия осигурява систематичен път към разгадаването на вековната енигма около формирането на кълбовидната мълния“, пишат изследователите. „Чрез обединяването на фотониката на екстремните полета, плазмената наука и атмосферната геофизика, нашите резултати превръщат терахерцовите платформи в мощен инструмент за открития - както за приложните технологии, така и за неразгаданите природни феномени.“