Плазменный шар из лаборатории ведёт себя как солитон — ключ к шаровой молнии
Физики в Китае получили крошечный светящийся плазменный шар, который сохраняет структуру при расширении и ведёт себя как электромагнитный солитон — самодостаточная волна. Группа Чулян Чжоу из Китайской академии наук сообщает в журнале Nature Photonics о том, что называет первым управляемым получением макроскопического долгоживущего солитона, возбуждаемого релятивистскими терагерцевыми электромагнитными полями. Результат может помочь объяснить шаровую молнию — явление, о котором сообщают веками и которое почти невозможно изучать в природе.
Почему шаровую молнию так трудно изучать
Обычная молния — зигзагообразная вспышка, которая гаснет быстрее, чем моргнёшь. Шаровую же молнию в тысячах записей и свидетельств очевидцев описывают как шар, который зависает над землёй, а затем исчезает с хлопком, как мыльный пузырь. Сообщения сильно расходятся в размере, цвете и поведении, поэтому это одна из самых странных загадок науки об атмосфере.
Солитон — это одиночная самодостаточная волна, которая сохраняет форму благодаря тонкому балансу конкурирующих физических сил. Солитоны могут возникать в плазме, воде и свете — везде, где возможен такой баланс. Некоторые теории считают шаровую молнию электромагнитным солитоном, который удерживает энергию в оболочке из плазмы. Плазма — это газ, атомы которого потеряли электроны.
Как получили шар
Исследователи взяли вольфрамовую иглу с кончиком шириной всего 100 нанометров; человеческий волос имеет ширину 80 000–100 000 нанометров. Ультракороткий лазерный импульс, направленный на иглу, создал мощную электромагнитную волну, которая побежала вдоль неё. На кончике энергия волны сконцентрировалась в чрезвычайно сильное электрическое поле, которое вырвало электроны из атомов в облаке аргона и создало перегретый пузырь ионизированного аргона.
Светящийся шар возник размером около 80 микрометров и за следующие 100 наносекунд вырос до нескольких сотен микрометров. Это намного дольше, чем длился породивший его электромагнитный импульс, а шар сохранял структуру при расширении, а не рассеивался, как обычное облако горячей плазмы.
Что показали измерения
Команда отслеживала расширение и анализировала длины волн света, который шар испускал по мере остывания, сравнивая наблюдения с теоретическими моделями и компьютерными расчётами. Расширение совпало с предсказаниями для электромагнитного солитона, что говорит о том, что электромагнитная энергия оставалась запертой внутри плазмы. Расчёты обычного теплового расширения давали гораздо более быстрый и размытый процесс.
До полного объяснения далеко
Крошечная точка света в контролируемом лабораторном опыте далека от атмосферных условий, в которых сообщают о шаровой молнии. Поэтому исследователи с помощью моделей оценили, как эффект может масштабироваться. Их расчёты показывают, что солитоны, возбуждаемые не терагерцевым излучением, а микроволнами, теоретически могли бы вырасти до метров и существовать секунды — это ближе к некоторым свидетельствам очевидцев. Это теоретическая оценка, а не наблюдение.
Авторы пишут, что удержание электромагнитной энергии в устойчивой локализованной структуре может также открыть новые пути для технологий хранения энергии и для изучения взаимодействия света с веществом в экстремальных условиях. Больше материалов по физике — в разделе «Наука».