Ученые используют лазеры для изучения природы молний

Зеленое свечение. Аспирантка ISTA Андреа Штёльнер в защитных очках наблюдает за экспериментальной камерой, где два лазерных луча удерживают отдельную частицу. Автор: ISTA

В Институте науки и технологий Австрии (ISTA) разработали метод изучения электризации облаков с помощью лазерных «пинцетов». Исследователи научились захватывать и заряжать микроскопические частицы лазерами, наблюдая за их динамикой заряда и разряда.

Метод, опубликованный в Physical Review Letters, может дать ключевые подсказки о том, что вызывает молнии.

Аспирантка Андреа Штёльнер из групп Вайтукайтиса и Мюллера в ISTA сосредоточилась на изучении ледяных кристаллов в облаках. Используя модели аэрозолей — крошечные прозрачные частицы диоксида кремния — она исследует, как эти кристаллы накапливают и взаимодействуют с электрическим зарядом.

Лазерные пинцеты фиксируют частицу

Штёльнер и ее коллеги разработали способ захвата, удержания и электрической зарядки отдельной частицы с помощью двух лазерных лучей. Лучи создают «ловушку», где крошечные объекты удерживаются только светом, действуя как «оптические пинцеты».

Настройка эксперимента. Андреа Штёльнер регулирует ориентацию лазерных лучей, зеркал и камер на антивибрационном столе. Автор: ISTA

«Первый раз, когда я поймала частицу, я была на седьмом небе от счастья», — вспоминает Штёльнер свой момент озарения два года назад, незадолго до католического Рождества.

Изначально установка была построена для удержания одной частицы и анализа ее заряда, но ученые обнаружили, что сам лазер заряжает аэрозольные частицы.

Выбивание электронов

Ученые обнаружили, что лазеры заряжают частицу через «двухфотонный процесс». Когда два фотона поглощаются одновременно, они могут «выбить» один электрон из частицы. Таким образом, частица постепенно приобретает положительный заряд.

Аспирантка ISTA Андреа Штёльнер перед своей экспериментальной установкой. Автор: ISTA

Оптическая ловушка. Для захвата микрочастицы используются два лазерных луча, действующих как пинцеты. Автор: Андреа Штёльнер / ISTA

Наблюдения также показали, что по мере положительной зарядки частица начинает разряжаться, спонтанно выпуская заряд.

Раскрытие тайны молний?

В грозовых облаках содержатся ледяные кристаллы и более крупные градины. Когда они сталкиваются, происходит обмен электрическими зарядами. В конечном счете облако становится настолько заряженным, что образуется молния.

Одна из теорий предполагает, что первая искра молнии может возникать на заряженных ледяных кристаллах. Однако точная наука, стоящая за этим явлением, остается загадкой.

«Наша новая установка позволяет исследовать теорию ледяных кристаллов, внимательно изучая динамику заряда частицы с течением времени», — объясняет Штёльнер.

Хотя ледяные кристаллы в облаках намного крупнее модельных, ученые ISTA теперь нацелены на расшифровку этих микроскопических взаимодействий для лучшего понимания общей картины.

«Наши модельные ледяные кристаллы демонстрируют разряды, и, возможно, в этом есть нечто большее. Представьте, если они в конечном итоге создадут сверхмаленькие искры молний — это было бы так круто», — говорит Штёльнер.

Больше информации: Using optical tweezers to simultaneously trap, charge and measure the charge of a microparticle in air, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/5xd9-4tjj