Επιστήμονας «αιχμαλώτισε» μικροσκοπικά σωματίδια για να βρει στοιχεία σχετικά με το τι προκαλεί τους κεραυνούς

Η χρήση λέιζερ για την κατανόηση της ηλεκτροδότησης των νεφών μπορεί να ακούγεται σαν επιστημονική φαντασία, αλλά στο Institute of Science and Technology Austria (ISTA) είναι πραγματικότητα.

Παγιδεύοντας και φορτίζοντας σωματίδια με λέιζερ, οι ερευνητές μπορούν πλέον να παρακολουθούν τη δυναμική φόρτισης και εκφόρτισής τους με την πάροδο του χρόνου.

Αυτή η μέθοδος, δημοσιευμένη στο Physical Review Letters, υπόσχεται να προσφέρει σημαντικά στοιχεία για το τι πυροδοτεί έναν κεραυνό.

Αερολύματα και δημιουργίες

Αερολύματα -υγρά ή στερεά σωματίδια που αιωρούνται στην ατμόσφαιρα- υπάρχουν παντού γύρω μας. Κάποια είναι ορατά, όπως η γύρη, άλλα αόρατα, όπως οι ιοί, ενώ μερικά μπορούμε ακόμη και να τα «γευτούμε», όπως οι κρύσταλλοι αλατιού στη θάλασσα.

Η υποψήφια διδάκτορας Andrea Stöllner, από τις ομάδες Waitukaitis και Muller του ISTA, μελετά τους παγοκρυστάλλους των νεφών χρησιμοποιώντας μοντέλα αερολυμάτων: μικροσκοπικά, διάφανα σωματίδια πυριτίας. Με αυτά διερευνά πώς οι παγοκρύσταλλοι συσσωρεύουν και ανταλλάσσουν ηλεκτρικό φορτίο.

Μαζί με τον Isaac Lenton και τον Scott Waitukaitis, η Stöllner ανέπτυξε μια τεχνική που τους επιτρέπει να συλλάβουν, να συγκρατήσουν και να ηλεκτρικά φορτίσουν ένα και μόνο σωματίδιο με δύο δέσμες λέιζερ. Αυτή η τεχνολογία μπορεί να αποδειχθεί κρίσιμη για να κατανοήσουμε πώς τα σύννεφα ηλεκτρίζονται και τι ακριβώς προκαλεί την αστραπή.

Η παγίδα λέιζερ που συγκρατεί ένα και μόνο σωματίδιο

Η Stöllner δουλεύει σε ένα τραπέζι γεμάτο μεταλλικά εξαρτήματα, ενώ πράσινες δέσμες λέιζερ σχηματίζουν μια περίπλοκη διαδρομή από καθρέφτες. Ένας χαρακτηριστικός ήχος μοιάζει με αέρα που διαφεύγει.

«Είναι ένα τραπέζι αντι-δονήσεων», εξηγεί. Είναι απαραίτητο για την απόλυτη σταθερότητα που απαιτούν τα λέιζερ.

Οι δέσμες τελικά συναντιούνται σε ένα χώρο όπου σχηματίζουν μια «οπτική παγίδα». Εκεί, μικροσκοπικά σωματίδια μπορούν να συγκρατηθούν μόνο με τη δύναμη του φωτός.

Το λέιζερ «διώχνει» ηλεκτρόνια

Οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι η φόρτιση προκύπτει από μια «διφωτονική διαδικασία». Δύο φωτόνια απορροφώνται ταυτόχρονα και «εκτινάσσουν» ένα ηλεκτρόνιο από το σωματίδιο, το οποίο έτσι αποκτά θετικό φορτίο.
Σταδιακά, το σωματίδιο γίνεται όλο και πιο θετικά φορτισμένο.

«Τώρα μπορούμε να παρακολουθούμε ακριβώς πώς ένα σωματίδιο περνά από ουδέτερο σε πολύ θετικά φορτισμένο», λέει η Stöllner, «και να ρυθμίζουμε την ισχύ του λέιζερ ώστε να ελέγχουμε τον ρυθμό αυτό».

Καθώς το φορτίο αυξάνεται, το σωματίδιο αρχίζει να εκφορτίζεται αυθόρμητα, με μικρές «ριπές» φορτίου. Κάτι παρόμοιο ίσως συμβαίνει και στα σύννεφα.

Αναζητώντας την πρώτη σπίθα του κεραυνού

Τα καταιγιδοφόρα σύννεφα περιέχουν παγοκρυστάλλους και μεγαλύτερα παγοσωματίδια. Όταν συγκρούονται, ανταλλάσσουν ηλεκτρικά φορτία· το νέφος φορτίζεται μέχρι που σχηματίζεται κεραυνός.

Μία θεωρία λέει ότι η πρώτη μικροσκοπική σπίθα μπορεί να ξεκινά απευθείας από τα φορτισμένα παγοσωματίδια. Άλλες θεωρίες αποδίδουν την έναρξη σε κοσμικές ακτίνες. Όπως κι αν έχει, λέει η Stöllner, το ηλεκτρικό πεδίο μέσα στα σύννεφα φαίνεται πολύ αδύναμο για να προκαλέσει μόνο του την αστραπή.

«Η νέα μας διάταξη μας επιτρέπει να εξετάσουμε λεπτομερώς τις δυναμικές φόρτισης ενός μόνο σωματιδίου», εξηγεί.

Παρότι τα πραγματικά παγοσώματα είναι πολύ μεγαλύτερα από τα μοντέλα, η Stöllner πιστεύει ότι η κατανόηση των μικροσκοπικών κανόνων θα ξεκλειδώσει και τα μακροσκοπικά μυστήρια.

«Τα μοντέλα μας δείχνουν εκφορτίσεις και ίσως υπάρχει κάτι βαθύτερο εκεί. Φαντάσου να δημιουργούσαν μικροσκοπικές σπίθες – θα ήταν απίστευτο», λέει χαμογελώντας.