Ученые воссоздали искры марсианских вихрей в лаборатории

Международный коллектив исследователей из Института космических исследований РАН, МФТИ и Института физики атмосферы им. А. М. Обухова впервые в истории детально воссоздал и зафиксировал электромагнитные сигналы, рождающиеся внутри пылевых вихрей.

Используя лабораторную камеру, ученые имитировали динамику заряженных частиц пыли и смогли «услышать» миниатюрные электрические разряды, аналогичные тем, что возникают в пылевых бурях на Земле и Марсе. Результаты исследования опубликованы в журнале AIP Advances.

Каждый, кто в детстве тер воздушный шарик о волосы, знаком с трибоэлектрическим эффектом — накоплением электрического заряда при трении. На планетарном уровне этот простой физический принцип порождает масштабные явления: пылевые бури и локальные вихри, известные как «пылевые дьяволы», поднимают в воздух миллиарды песчинок. Сталкиваясь и трясь в турбулентном потоке, частицы заряжаются, превращая облако пыли в гигантский природный конденсатор. Накопленный заряд вызывает невидимые электрические разряды, которые генерируют электромагнитное излучение.
Хотя о существовании этих явлений было известно давно, их детальное изучение в естественных условиях крайне затруднено. Оставалось непонятным, как характеристики этих электромагнитных «всплесков» зависят от размера, формы и состава пыли. Именно эту загадку ученые и решили разгадать.

Цель исследования была не просто показать, что пылевые вихри способны генерировать электромагнитные сигналы, а установить количественную связь между физическими свойствами частиц и параметрами их электрических «отголосков». Для этого была создана миниатюрная атмосферная камера с контролируемым пылевым вихрем.

В сердце установки — специально разработанная 3D-печатная камера с образцами песка. Турбулентный поток воздуха со скоростью 9–12 м/с поднимал частицы и заставлял их интенсивно сталкиваться, как в настоящем «пылевом дьяволе». Для регистрации слабых электрических сигналов использовали высокочувствительный Электромагнитный анализатор (EMA), изначально разработанный для миссии «ЭкзоМарс». Прибор улавливает слабейшие радиоимпульсы в широком диапазоне частот, что позволило «прослушать» микроразряды внутри камеры.

Чтобы понять влияние геологии, ученые использовали два типа песка: карельский, богатый силикатами, похожий на земной кварц, и камчатский с магнетитом, имитирующий марсианский реголит.

«Мы по сути создали бурю в миниатюре», — рассказал аспирант МФТИ Абделаал Мохамад Эссам Сайед. «Главной задачей было создать полностью контролируемую среду, чтобы быть уверенными: сигналы исходят именно от взаимодействия песчинок, а не от внешних помех. Когда на экране появились первые всплески, соответствующие теории, это был момент истины».

Эксперименты показали, что электрический «характер» вихря сильно зависит от размера частиц. Мелкие песчинки (20–40 мкм) генерируют частые, но слабые импульсы, быстро накапливая и разряжая заряд. Крупные частицы (40–100 мкм и больше) создают редкие, но мощные всплески, требуя больше столкновений для накопления критического заряда.

Минеральный состав также влияет на электризацию. Силикатный песок способствует эффективному разделению зарядов, тогда как магнетитовый и содержащий смектит песок сильнее накапливают заряд. Это значит, что «электрический портрет» пыльного вихря отражает геологию поверхности, откуда поднята пыль.

Форма сигналов показала, что они представляют собой короткие, затухающие импульсы с частотами 150–350 кГц — миниатюрные молнии между песчинками. Ранее модели этих процессов были в основном теоретическими, теперь же они получили экспериментальное подтверждение.
Анализ электромагнитных всплесков открывает новые возможности: дистанционно оценивать интенсивность пылевых бурь, размер частиц и состав поверхности. Следующий шаг — эксперименты в условиях, максимально приближенных к марсианской атмосфере, что позволит подготовить приборы для Красной планеты и «услышать» электрическую симфонию марсианских бурь.

Источник: Ученые воссоздали в лаборатории искры марсианских вихрей — За науку