Kiçik qığılcım ildırım sirrinin açarı ola bilər

Gözlənilməz Kəşf: İldırımın Yaranması Üçün Yeni Lazer Tədqiqatları

Andrea Stöllnerin təcrübələri gözlənilən nəticəni verməyəndə, bu, tez-tez elmdə olduğu kimi, onu daha maraqlı bir kəşfə – ildırımın yaranmasının ilkin qığılcımını araşdırmaq üçün lazerlərdən və tək, mikroskopik bir hissəcikdən istifadə edən yeni bir üsula gətirib çıxardı.

Avstriya Elm və Texnologiya İnstitutunun fizika üzrə tədqiqatçısı Stöllner, beynəlxalq tədqiqatçılar qrupu ilə birgə, işıq əsaslı "cımbızların" öz tutduqları zərrəcikləri yükləmək kimi az araşdırılmış, lakin məlum bir qabiliyyətini öyrənən bir araşdırmaya rəhbərlik edib. Bu kəşf, təbiətin ən möhtəşəm hadisələrindən biri olan ildırımın yaranması mexanizmini yeni bir şəkildə araşdırmaq üçün tədqiqatçılara geniş imkanlar yaradır.

İldırımın Yaranması Sirləri: Mövcud Nəzəriyyələr və Çətinliklər

İldırımın yaranması atmosfer elminin ən böyük sirlərindən biridir. Buludların içərisində elektrik boşalması ilə nəticələnən kaskadı nəyin başlatdığını izah etməyə çalışan bir neçə nəzəriyyə mövcuddur.

Hər gün Yer kürəsini təxminən 9 milyon ildırım işıqlandırır. Hətta ən ekstremal hallarda buludlar arasından yüzlərlə mil məsafə qət edərək ziqzaqvari şəkildə yayılırlar.

Buna baxmayaraq, kainatın uzaq künclərindəki obyektlərin fizikası haqqında nə qədər çox şey bildiyimizi nəzərə alsaq, başımızın cəmi bir neçə kilometrliyindəki buludların içərisində ildırımın yaranmasını nəyin tetiklədiyini bilməməyimiz təəccüblüdür.

Alimlər ildırım hadisələrini qeydə almaq üçün hava şarları göndərmiş, təyyarələrlə fırtınalardan keçmiş, yüksək sürətli kameralardan və sensorlardan istifadə etmişlər. Lakin ildırımın yaranması prosesi hələ də tamamilə aydın deyil.

İldırım buludlarının yüksək yüklənməsi məlumdur. Əsas nəzəriyyəyə görə, buludların içərisindəki buz kristalları yumşaq dolu olan graupellə toqquşaraq yüklənir; əks yüklər ayrılır və elektrik sahəsi yaradır.

Amma burada bir problem var: Buludların içərisində ölçülən elektrik sahələri nisbətən zəifdir. Bu sahələr havanı cərəyan keçirə bilən bir keçiriciyə çevirə biləcək qədər güclü deyil. İldırım alimləri Joseph Dwyer və Martin Uman 2014-cü ildə yazırdılar ki, "Bu, ya ölçmələrimizdə səhv var, ya da ildırımlı fırtına mühitində elektrik boşalmalarının necə baş verdiyinə dair anlayışımızda bir səhv var".

Stöllner ScienceAlert-ə bildirib ki, bəlkə də buludların içərisində alimlərin hələ tapmadığı daha yüksək intensivlikli elektrik sahələri cibləri var, ya da buz kristalları ildırımın yaranması üçün ilk qığılcımı hansısa şəkildə yaradır.

Yüksək enerjili kosmik şüalar da başqa bir ehtimaldır: Onlar havanı ionlaşdıraraq ildırım boşalmasına səbəb ola biləcək sərbəst elektronlar yağışı yarada bilər.

Stöllner vurğulayır ki, "Amma yenə də, bu, tamamilə fərqli bir şey və ya bütün bu amillərin qarışığı ola bilər; biz bilmirik".

Stöllnerin Lazer Tədqiqatları və Gözlənilməz Boşalmalar

İldırımın yaranması haqqında nəzəriyyələr 1950-60-cı illərdən bəri mövcuddur, lakin onlar əsasən müşahidələrə və kompüter simulyasiyalarına əsaslanırdı və laboratoriya təcrübələrində nadir hallarda sınaqdan keçirilirdi.

Andrea Stöllner əslində ildırımın yaranmasını öyrənmək niyyətində olmasa da, onun tədqiqatları bu istiqamətə yönəlib.

Stöllner qeyd edir ki, "Düşünürəm ki, indi bu sualı yenidən gözdən keçirməyin vaxtıdır, çünki bunu etmək üçün texnologiyamız var". O, fizik Scott Waitukaitis və iqlim alimi Caroline Mullerin laboratoriyalarında doktorantdır.

Son tədqiqatlarında Stöllner və həmkarları optik cımbızlardan istifadə edərək tək, mikroskopik bir silisium dioksid zərrəciyini "tutdular" və lazerin intensivliyi artdıqca zərrəciyin yükünü ölçdülər. Komandanın ölçmələri göstərir ki, neytral silisium zərrəciyi, ehtimal ki, lazerdən iki foton udur, bu da elektronları enerjiləndirir və sərbəst buraxır, nəticədə zərrəcik müsbət yüklü qalır.

Lakin Stöllner gözlənilməz bir şey də müşahidə edib: Bəzən bir zərrəcik həftələrlə lazer tələsində qaldıqda, birdən daha az silkələməyə başlayırdı – bu, spontan bir elektrik boşalması idi. Əgər bu, atmosferdə baş versəydi, ildırım kimi daha böyük bir hadisəni tetikləyə bilərdi.

Stöllner deyir ki, "Bunun necə baş verdiyini bilmirik, lakin əsasən yük çox sürətlə düşür. Biz bunun səbəbini tapmaqda çox maraqlıyıq və bu, əslində, ildırımın yaranması ilə eyni sualdır, sadəcə bu kiçik miqyasda".

Təcrübələr zamanı müşahidə edilən bu cür mikroboşalmalar, zərrəciyin yükünün stabil şəkildə artdıqdan sonra qəfildən düşməsini nümayiş etdirir. Grafikdə təxminən 30e miqyasında bir boşalma göstərilir.

Gələcək İmkanlar və Nəticələr

Bu məqamda ildırımla əlaqə yüksək dərəcədə spekulyativ olsa da, Stöllner hələ də boşalmaları araşdırır və zərrəcik ölçüsünün, rütubətin və ya təzyiqin hər hansı bir təsirinin olub-olmadığını yoxlayır.

Stöllner qeyd edir ki, "Bir tərəfdən, bu, tədqiqatımızın məhdudiyyətidir, çünki hər şey çox kiçikdir və 10 elektron ildırım yaratmır. Amma digər tərəfdən, bu, tək bir zərrəciyin yüklənməsini və boşalmasını yüksək dəqiqliklə araşdırmaq üçün bir üsuldur".

Yaponiyadakı Okinava Elm və Texnologiya İnstitutundan fizikaçı Dan Daniel, bu tədqiqatda iştirak etməyib, lakin ScienceAlert-ə verdiyi açıqlamada tək submikron zərrəciyi tutmaq, onu nəzarət edilə bilən şəkildə yükləmək və yükünü "incə dəqiqliklə" ölçmək qabiliyyətinin "həqiqətən təsirli" olduğunu bildirib. Daniel izah edib ki, "Bu, su damcılarının və ya buz hissəciklərinin yüklənməsini araşdırmaq üçün lazım olan dəqiqlik səviyyəsidir – ildırımın yaranmasının, buludların elektrikləşməsinin və atmosfer elektrik enerjisinin həqiqətən mikroskopik anlayışına doğru əsaslı bir addımdır".

Bu lazer metodu müəyyən mənada daha realdır, çünki yükü ölçmək üçün metal elektrodlardan istifadə edilmir. Əksinə, zərrəciklər atmosferdəki aerozollar kimi havada süzülür. Stöllnerin sözlərinə görə, əvvəlki laboratoriya təcrübələrindən fərqli olaraq, bu metod daha zəif elektrik sahələrindən istifadə edir. Lakin buludlardakı buz kristalları ildırımın yaranmasında əsas rol oynayır və onlar özünəməxsus mürəkkəbdir.

Daniel həmçinin qeyd edir ki, Yer atmosferinə düşən günəş işığı bu təcrübələrdə istifadə olunan lazer tədqiqatlarından qat-qat zəifdir. Lakin toz hissəciklərinin və aerozolların UV şüaları altında yüklənə biləcəyinə dair bəzi dəlillər var – ehtimal ki, çoxfotonlu deyil, təkfotonlu bir proses vasitəsilə.

Ayda UV işığı və günəş küləkləri ilə bombardman olunan toz da yüklənir və havaya qalxaraq Ay roverslərini və alətlərini tıxayır.

Beləliklə, Daniel deyir ki, bu eksperimental çərçivə "yalnız ildırım və buludların elektrikləşməsi üçün deyil, həm də planet elmi və kosmos tədqiqatları problemləri üçün də aktualdır".

Tədqiqat "Physical Review Letters" jurnalında dərc olunub.

24 saat