Välgud, mis valgustavad taevast peaaegu 9 miljonit korda päevas, on üks muljetavaldavamaid looduse nähtusi. Ometi on paradoksaalne, et isegi teleskoopide ajastul, mil suudame jälgida kaugeid galaktikaid, ei ole teadlased siiani üksmeelele jõudnud, mis täpselt süütab äikesepilvedes selle esimese elektrisädemega algava välgulöögi. Kuigi uurijad on aastakümneid lennanud läbi orkaanide, lasknud taeva alla meteoroloogilisi sonde ja filminud äikest ülikiirete kaameratega, jääb välgu algus endiselt lahendamata mõistatuseks. Seetõttu võib noore füüsiku Andrea Stöllneri ootamatu eksperiment osutuda tõeliseks murranguks ja käivitada täiesti uue etapi välkude uurimises.
Laserid, üks räniterake ja hiiglaslik küsimus
Austria Teaduse ja Tehnoloogia Instituudist pärit Andrea Stöllner ei kavatsenud algselt sugugi uurida välgu tekkimist. Ta kasutas optilisi nn laserpinsette, et mõista, kuidas valgus mõjutab ühtainust mikroskoopilist räniosakest. Nagu teaduses sageli juhtub, avas ebaõnnestunud katse ootamatult uue ukse. Stöllner märkas, et laserikiired võivad osakestele anda elektrilaengu – nähtuse, mis on ammu teada, kuid mille täpne mehhanism on jäänud ähmaseks. Just see avastus seostus ootamatult ühe kõige visama küsimusega atmosfäärifüüsikas: mis käivitab välgulöögi?
Uurimuse käigus lõksustasid teadlane ja tema meeskond ühe tillukese räniterakese laserikiirte „lõksu” ja jälgisid, kuidas see valguse intensiivsuse kasvades tasapisi laengut omandas. Osake hakkas elektriväljas värisema, justkui alludes nähtamatule valguse rütmile. Mõõtmised näitasid, et terake neelab kaks footonit, mille toimel vabaneb elektrone – nii muutub räniterake positiivselt laetud osakeseks.
Väike väljaladu, mis meenutab välku
Suurim üllatus ootas aga hiljem. Mõned osakesed, mida hoiti laserilõksus isegi nädalaid, lõpetasid äkki tugeva võbeluse – nende laeng kadus hetkega. See oli spontaanne elektriline väljaladu. Tõsi, erakordselt väike, seotud vaid mõnekümne elektroni kadumisega, kuid oma olemuselt meenutas see protsess just seda, mis atmosfääris võib saada välgu algimpulsiks.
„Me ei tea, miks see juhtub, aga laeng lihtsalt kaob väga kiiresti. See on väga sarnane küsimus välgu algusele, ainult mikroskoopilisel skaalal,” selgitab Stöllner.
See võib olla täiesti uus viis mõista, kuidas tormipilvedes laetud osakesed – eriti jääkristallid – võivad ootamatult oma laengu maha laadida ja luua selle esimese saatusliku sädemekese.
Miks välgu päritolu on endiselt pilvede varjus?
Teadlastele on juba ammu teada, et äikesepilved kubisevad elektrilaengut kandvatest osakestest. Põhiteooria ütleb, et kui jääkristallid põrkuvad pehmest jääst koosneva graupel’i ehk räitsakjääga, laevad need end vastasmärgiga. Need laengud jaotuvad pilves, luues elektrivälja. Kuid mõõtmised, mida on tehtud sondide või lennukitega, näitavad, et see väli on liiga nõrk, et muuta õhk hea elektrijuhi sarnaseks ja tekitada välgulööki. See küsimus on teadlasi segadusse ajanud juba pool sajandit – midagi jääb puudu.
Võimalik, et pilvedes leidub seni märkamata jäänud väga väikeseid, kuid äärmiselt tugevaid elektrilisi „saarekesi”. Võib-olla käituvad teatud jääkristallid hoopis teistmoodi, kui teooriad seni eeldavad. Samuti on üks hüpotees, et kosmilised kiired, mis pidevalt pommitavad Maa atmosfääri, vabastavad elektronide voo, mis võiks käivitada välgu ahelreaktsiooni. Ka tänapäeval tunnistavad eksperdid: tõenäoliselt on mängus mitu erinevat stsenaariumi, mis koos võivad anda tulemuseks välgulöögi.
Miniatuursed laborid kui tee päris äikesetormideni
Okinawa Teaduse ja Tehnoloogia Instituudi füüsik Dan Daniel rõhutab, et Stöllneri meetod on erakordselt täpne. Suutlikkus hoida üht submikronilist osakest õhus, anda sellele laeng ning mõõta seda ülimalt suure täpsusega on suur samm edasi. Selline lähenemine võib tulevikus võimaldada uurida, kuidas laevad end jääkristallid või veetilgad, millest tormipilved koosnevad.
Uurimus viib laboritingimused üha lähemale reaalsele atmosfäärile. Katses ei kasutatud metallist elektroode, mis võiks mõõtmisi moonutada. Osakesed hõljusid õhus nagu aerosoolid atmosfääris. Lisaks rakendati varasemate katsetega võrreldes palju nõrgemaid elektrivälju.
Tõsi, pilvedes ei algata välku tavaliselt mitte aerosoolid, vaid keeruka kujuga jääkristallid. Samuti on Päikese valgus atmosfääris tunduvalt nõrgem kui tugevad laserikiired laboris. Ent on teada, et õhus leiduvad osakesed võivad laengu saada ka UV-kiirguse mõjul – see protsess toimub isegi Kuul, kus päikesekiirgusest laetud tolmuosakesed hakkavad hõljuma ja võivad segada kuukulgurite tööd.
Välgust kuni kosmilise tolmuni – laiem tähtsus
Stöllneri eksperiment võib mõjutada palju enamat kui üksnes atmosfäärifüüsika. Kui õnnestub täpselt selgitada, kuidas mikroskoopilised osakesed elektrilaengut omandavad ja sellest vabaneda võivad, annab see uusi teadmisi planeetide atmosfääride, kosmilise tolmu käitumise ja isegi võimsate kosmiliste tormide kujunemise kohta.
See uurimus on siiski alles algus. Praegu meenutavad spontaansed mikroskoopilised väljalasked vaid välgu algimpulssi, kuid nende mehhanism võib olla kriitilise tähtsusega, et mõista, kuidas näilisest eimiski-st sünnib hiiglaslik elektrisähvatus, mis ohustab inimelusid, kuid lummab samal ajal oma iluga. Kui Stöllneri meeskonnal õnnestub kindlaks teha, miks laetud osake äkitselt laengu kaotab, võib see olla esimene tõeline samm seitsme aastakümne pikkuse atmosfääriteadust saatnud mõistatuse lahendamise suunas.
Fotod on illustratiivsed © Canva.
