Błyskawica w kostce plastiku? Naukowcy chcą zamknąć burzę w laboratorium

Pioruny należą do tych zjawisk, które wszyscy znamy, ale wciąż nie rozumiemy ich tak dobrze, jak mogłoby się wydawać. Wiadomo, jak wyglądają i jakie niosą skutki, ale sam mechanizm ich powstawania nadal kryje wiele naukowych luk. Dlatego każda próba przeniesienia choć części burzy do laboratorium budzi duże zainteresowanie. To jeden z powodów, dla których fizycy wciąż wracają do tego tematu.

Taki właśnie pomysł przedstawił zespół kierowany przez Victora Pasko z Penn State University. W pracy opublikowanej w Physical Review Letters badacze opisują koncepcję urządzenia, które mogłoby odtwarzać promieniowanie przypominające towarzyszące wyładowaniom atmosferycznym. Chodzi nie o miniaturowy piorun w dosłownym sensie, ale o odwzorowanie najważniejszego fizycznego procesu stojącego za jego narodzinami. To właśnie ten proces interesuje naukowców najbardziej.

Według symulacji potrzebny byłby niewielki blok z materiału izolacyjnego, takiego jak szkło, akryl albo kwarc. Całość miałaby być tylko trochę większa od talii kart. Prawdziwe burze działają przecież w chmurach rozciągających się na wiele kilometrów. Kontrast między tymi skalami jest ogromny.

Pasko i jego współpracownicy od lat badają fizykę wyładowań atmosferycznych. W 2023 r. opracowali model matematyczny opisujący warunki prowadzące do powstania pioruna. Rok później porównali go z obserwacjami terenowymi, korzystając z czujników naziemnych, danych satelitarnych i pomiarów z samolotów latających wysoko nad burzowymi chmurami. Dzięki temu mogli sprawdzić, czy ich model zgadza się z rzeczywistością.

Z tych analiz wynika, że piorun rodzi się w wyniku reakcji łańcuchowej. Silne pola elektryczne rozpędzają elektrony, a te zderzają się z cząsteczkami azotu i tlenu w powietrzu. W efekcie powstaje promieniowanie rentgenowskie, a potem kolejne cząstki i fotony, aż w końcu pojawia się błysk, który widzimy na niebie. Cały proces trwa zaledwie ułamek sekundy.

To proces znany jako relatywistyczna lawina rozpędzonych elektronów. Dla przeciętnego obserwatora najważniejsze jest jednak to, że chodzi o samonapędzający się mechanizm. Kiedy już zostanie uruchomiony, może bardzo szybko narastać. To właśnie dlatego pioruny są tak gwałtowne.

W nowym badaniu naukowcy zadali proste pytanie: czy da się taki mechanizm odtworzyć w znacznie mniejszej skali. I to nie w ogromnej aparaturze, lecz w niewielkim kawałku stałego materiału.
Kluczem jest gęstość materiału. Ciała stałe, takie jak szkło czy akryl, są nawet około tysiąc razy gęstsze od powietrza. To oznacza, że podobne zjawiska mogą zachodzić na dużo krótszym dystansie. Innymi słowy, to, co w chmurze wymaga kilometrów przestrzeni, w odpowiednim materiale może wydarzyć się w obiekcie wielkości kciuka. To właśnie pozwala tak bardzo zmniejszyć skalę zjawiska.

Badacze sprawdzali, czy wiązka wysokoenergetycznych elektronów mogłaby uruchomić w takim bloku promieniowanie podobne do tego, które towarzyszy piorunom. Wyniki sugerują, że po odtworzeniu pierwszych etapów reakcji dalsza część procesu mogłaby już podtrzymywać się sama. To właśnie najbardziej obiecujący element całej koncepcji. Właśnie dlatego projekt wzbudził tak duże zainteresowanie.

„Jeśli można byłoby eksperymentować z warunkami podobnymi do piorunów na biurku, w kontrolowanych warunkach, byłoby to wspaniałe. Byłoby to znacznie tańsze i pozwoliłoby odpowiedzieć na mnóstwo pytań” – mówi Victor Pasko w komunikacie uczelni. Naukowcy liczą, że taka metoda przyspieszyłaby badania.

Dziś badanie burz i wyładowań atmosferycznych jest trudne, kosztowne i logistycznie skomplikowane. Trzeba czekać na odpowiednie warunki, wysyłać aparaturę w teren, korzystać z samolotów, radarów, satelitów i sieci czujników. Nawet wtedy naukowcy mają ograniczoną kontrolę nad tym, co właściwie obserwują. To znacznie utrudnia prowadzenie eksperymentów.

Miniaturowy model pozwoliłby ten problem częściowo obejść. Zamiast polować na burzę, badacze mogliby odtwarzać kluczowe warunki w laboratorium i testować różne hipotezy krok po kroku. Skorzystaliby na tym inżynierowie, fizycy i specjaliści od atmosfery. Takie narzędzie byłoby bardzo wygodne.

To mogłoby przyspieszyć badania nad samym mechanizmem wyładowań, ale też nad promieniowaniem towarzyszącym burzom. Takie zjawiska są ważne nie tylko dla podstawowej nauki, lecz także dla bezpieczeństwa lotnictwa, ochrony infrastruktury i lepszego rozumienia ekstremalnej pogody. Wiedza o piorunach ma więc bardzo praktyczne znaczenie.

Opisana w pracy „błyskawica w pudełku” wciąż pozostaje koncepcją opartą na symulacjach. Zespół musi jeszcze potwierdzić ją eksperymentalnie. Dopiero wtedy będzie wiadomo, czy taka miniaturyzacja rzeczywiście działa poza komputerowym modelem.

Badacze sami wskazują pytania, na które trzeba odpowiedzieć. Nie wiadomo jeszcze dokładnie, jakie minimalne pole elektryczne będzie potrzebne ani w jaki sposób najlepiej dostarczyć wiązkę elektronów do stałego materiału. To właśnie od takich szczegółów zależy, czy pomysł uda się przekuć w prawdziwe urządzenie. Przed zespołem stoi więc jeszcze sporo pracy.

Mimo to projekt nie wydaje się całkiem fantastyczny. Pasko przypomina, że wcześniejsze badania pokazały już możliwość odtwarzania reakcji podobnych do piorunowych w stosunkowo niewielkiej aparaturze. Nowa praca idzie po prostu o krok dalej i próbuje jeszcze mocniej zmniejszyć skalę. To naturalny kierunek rozwoju badań.

Jeśli ten krok się powiedzie, naukowcy dostaną do ręki narzędzie, które może zmienić badania nad piorunami. Burzy nie da się oczywiście dosłownie zamknąć w kostce plastiku. Ale być może da się zamknąć w niej najważniejszy fragment jej fizyki. A to dla nauki byłoby bardzo cenne.