Кульова блискавка століттями залишалася однією з найзагадковіших атмосферних подій. Тепер команда фізиків під керівництвом Чуляна Чжоу (Chuliang Zhou) з Китайської академії наук повідомляє про лабораторне створення мініатюрної світної кулі плазми, яка поводиться як електромагнітний солітон. Про роботу розповідає видання ScienceAlert.
Дослідники називають це першим контрольованим отриманням макроскопічного, довгоживучого солітона, збудженого релятивістськими терагерцовими електромагнітними полями. На їхню думку, така система може стати платформою для вивчення фізики оптичних солітонів, нових механізмів зберігання енергії та, зрештою, для перевірки гіпотез про природу кульової блискавки.
Що таке солітон і як він пов’язаний з кульовою блискавкою
Солітон — це одиночна, самодостатня хвиля, яка зберігає форму завдяки тонкій рівновазі між різними фізичними ефектами. Такі структури можуть виникати в плазмі, воді, світлі, а можливо, навіть у деяких біологічних мембранах — будь-де, де протилежні впливи врівноважуються й підтримують стабільну хвилю.
Одна з теорій про кульову блискавку припускає, що це саме електромагнітний солітон, у якому енергія «зачинена» в оболонці плазми. Щоб перевірити цю ідею, команда Чжоу спробувала створити подібну структуру в контрольованих умовах.
Гостра вольфрамова голка та спалах плазмової кулі
Ключовим елементом експерименту стала надзвичайно гостра вольфрамова голка: її кінчик мав діаметр лише близько 100 нанометрів. Для порівняння, товщина людського волосся становить приблизно 80 000–100 000 нанометрів.
На цю голку спрямували надкороткий лазерний імпульс, який збудив потужну електромагнітну хвилю, що побігла вздовж металу. Коли хвиля досягла кінчика, її енергія сконцентрувалася в надінтенсивне електричне поле. Це поле «вирвало» електрони з атомів у хмарі аргону, розташованій біля голки, і перетворило газ на перегріту іонізовану плазму.
У результаті в просторі спалахнула крихітна світна куля — мініатюрна плазмова «кульова блискавка».
Спершу ця куля мала розмір близько 80 мікрометрів, тобто була схожа на світну точку. Протягом наступних 100 наносекунд вона розширилася до кількох сотень мікрометрів. Хоча це надзвичайно короткий час, він значно перевищує тривалість вихідного електромагнітного імпульсу, з якого куля виникла.
На відміну від звичайної гарячої плазми, що швидко розсіюється, ця сфера зберігала структуру під час розширення, а не просто «розтікалася» в просторі.
Докази солітонної природи плазмової кулі
Команда відстежувала, як змінюється розмір кулі, та аналізувала спектр її випромінювання під час охолодження. Отримані дані порівняли з теоретичними моделями та комп’ютерними симуляціями.
Виявилося, що характер розширення кулі відповідає теоретичним прогнозам для електромагнітного солітона. Це свідчить, що електромагнітна енергія залишалася «захопленою» всередині плазми й допомагала підтримувати світну кулю, навіть коли вона збільшувалася в розмірах.
Для порівняння, моделювання звичайного теплового розширення плазми показало значно швидший і більш розмитий процес, без збереження чіткої структури.
Дослідники також фотографували плазмову кулю через шість різних світлофільтрів, щоб простежити, як змінюється її випромінювання на різних довжинах хвиль у міру охолодження. Це додатково підтвердило, що йдеться не про типовий спалах плазми, а про особливу стійку конфігурацію.
Від лабораторної іскри до атмосферної кульової блискавки
Попри вражаючі результати, мініатюрна куля в умовах лабораторії дуже далека від реальних грозових хмар, де очевидці спостерігають кульову блискавку. Тому вчені використали свої моделі, щоб оцінити, як подібні солітони могли б поводитися у більших масштабах.
Розрахунки показали, що електромагнітні солітони, збуджені не терагерцовим, а мікрохвильовим випромінюванням, теоретично можуть досягати розмірів у метри та існувати протягом секунд. Це вже набагато ближче до описів кульової блискавки в численних свідченнях очевидців.
Автори підкреслюють, що це ще не остаточне пояснення феномену кульової блискавки. Однак їхній підхід дає керований, відтворюваний спосіб досліджувати подібні структури й систематично перевіряти гіпотези про їхню природу.
Можливі застосування та подальші дослідження
Значення роботи не обмежується метеорологічними загадками. Здатність утримувати електромагнітну енергію в стабільній, локалізованій структурі може відкрити нові шляхи для технологій енергонакопичення, а також для вивчення взаємодії світла й речовини в екстремальних умовах.
Дослідники зазначають, що їхній контрольований лабораторний підхід із можливістю точно налаштовувати умови створює систематичний шлях до розшифровки «столітньої загадки» формування кульової блискавки. Об’єднуючи екстремальну фотоніку, плазмову фізику та атмосферну геофізику, вони розглядають терагерцові платформи як інструмент відкриттів як для прикладних технологій, так і для вивчення ще нерозв’язаних природних явищ.
Результати дослідження опубліковано в журналі Nature Photonics. Відеозапис експерименту та його візуалізацій доступний у відкритому доступі, зокрема на наукових відеоплатформах, зокрема в одному з роликів на YouTube.