Пустынная пыль помогла прояснить процесс формирования марсианских бурь
Международная группа исследователей из Института космических исследований РАН, МФТИ и Института физики атмосферы им. А. М. Обухова РАН провела уникальный эксперимент в калмыцкой степи, раскрыв механизмы возникновения электричества в пылевых бурях. Ученым удалось зафиксировать и проанализировать электромагнитные всплески, возникающие при движении песка и пыли, используя аппаратуру, созданную для работы на Марсе. Результаты этой работы не только помогают лучше понять климатические процессы на Земле, но и имеют критическое значение для безопасности будущих марсианских миссий, где мощные электрические поля могут представлять угрозу для электроники и астронавтов.
Пыль в атмосфере — не просто пассивный загрязнитель воздуха, мешающий дышать и ухудшающий видимость. В засушливых регионах Земли и на других планетах мельчайшие частицы грунта становятся активными участниками сложных физических процессов. Когда ветер поднимает тучи песка, миллиарды песчинок сталкиваются друг с другом, обмениваясь электронами. Этот процесс, известный как трибоэлектризация, превращает обычную пылевую бурю в гигантский генератор статического электричества.
На Земле мы редко замечаем это явление в обыденной жизни, но в масштабах планеты оно влияет на формирование облаков и перенос аэрозолей. На Марсе же, где атмосфера разрежена и предельно суха, глобальные пылевые бури могут охватывать всю планету, создавая мощные электрические поля, природу которых ученым еще только предстоит до конца разгадать.
Микроскопический снимок и распределение песчинок по размерам из пустыни Калмыкии (размер частиц около 100 микрон). Сталкиваясь друг с другом в ветровых потоках, эти крошечные, похожие на драгоценные камни зерна кварца обмениваются электронами, превращая пылевое облако в гигантский природный генератор электричества / © Theoretical and Applied Climatology
Изучение этих процессов долго ограничивалось лабораторными экспериментами или теоретическими моделями, которые не могли в полной мере воспроизвести хаос реальной пустыни. Чтобы заполнить этот пробел, научный коллектив отправился в Республику Калмыкию — регион, чьи засушливые степи и песчаные массивы по своим условиям удивительно напоминают марсианские ландшафты. Главной целью экспедиции стала проверка гипотез о том, как именно метеорологические условия — ветер, температура и, главное, влажность — влияют на рождение электромагнитных импульсов в облаках пыли. Исследование опубликовано в журнале Theoretical and Applied Climatology.
Ключевым инструментом в этом исследовании стал приборный «Пылевой комплекс», разработанный в ИКИ РАН. Эта научная аппаратура создавалась для посадочной платформы проекта «Экзомарс-2022». Миссия не состоялась, но уникальные приборы нашли применение на Земле. Комплекс, включающий датчики ударов, сенсоры электрического поля и высокочувствительный электромагнитный анализатор, был установлен в пустыне для «прослушивания» электрического пульса песков. Ученые проводили измерения в условиях умеренного ветра и сильной жары, когда температура поверхности достигала 50 градусов Цельсия, создавая идеальные условия для подъема пыли.
Полная экспериментальная установка пылевого комплекса / © Theoretical and Applied Climatology
В ходе эксперимента исследователи обнаружили четкую взаимосвязь между погодными условиями и электромагнитной активностью. Выяснилось, что ключевой триггер для возникновения электрических разрядов — влажность воздуха. Когда относительная влажность падала ниже 30%, приборы начинали регистрировать резкий рост числа и интенсивности электромагнитных всплесков — коротких импульсов длительностью всего несколько микросекунд. Это свидетельствует о том, что в сухом воздухе процесс накопления заряда на частицах идет гораздо эффективнее, так как влага не успевает «стекать» с поверхности песчинок, позволяя им накапливать критический потенциал до момента микроразряда.
Корреляция между увеличением числа электромагнитных всплесков и диапазоном значений относительной влажности. График демонстрирует взрывной рост электромагнитной активности, как только относительная влажность воздуха падает до критических значений. Прямоугольником выделена зона, где сухой воздух становится главным катализатором серии мощных микроразрядов, подтверждая научную гипотезу / © Theoretical and Applied Climatology
Данные показывают, что помимо классического трения частиц друг о друга важную роль играет так называемый баллоэлектрический эффект — явление, при котором заряд генерируется в процессе испарения микроскопических капель воды с поверхности песчинок.
Исследователи не просто фиксировали наличие электричества, но и разделили сигналы на типы. Были выделены высокочастотные импульсы (выше 300 килогерц), которые возникают в результате быстрых микроразрядов между заряженными частицами пыли, и низкочастотные пульсации, связанные с турбулентным движением воздуха. Анализ формы волны показал характерный паттерн: резкий пик, за которым следует фаза резонанса, что говорит о стабильном и повторяющемся характере разрядов, а не о случайном шуме. Это похоже на своего рода микромолнии, невидимые глазу, но отчетливо слышимые радиоаппаратурой.
Особый интерес представляет обнаруженная связь с солнечной радиацией. Пик электромагнитной активности приходился на дневные часы и коррелировал с максимумом солнечного излучения. Солнце нагревает поверхность, усиливая конвекцию: теплый воздух поднимается вверх, увлекая за собой пыль и закручивая ее в вихри. Это увеличивает частоту столкновений частиц и, как следствие, интенсивность электризации. Ночью же, когда турбулентность спадает, «электрический голос» пустыни затихает.
Марс — планета пыли. Понимание того, как именно заряжаются частицы марсианского грунта и какие электромагнитные помехи они создают, жизненно необходимо для проектирования будущих марсоходов и пилотируемых баз. Статическое электричество может выводить из строя электронику, ухудшать радиосвязь и даже представлять опасность для скафандров астронавтов.
Абделаал Мохамад Эссам Сайед, аспирант МФТИ, сотрудник отдела физики планет ИКИ РАН рассказал: «Наши результаты служат отличным аналогом для марсианских условий. Хотя на Красной планете давление ниже и состав атмосферы иной, физика контактной электризации остается схожей. Изучая эти процессы в земных пустынях с помощью приборов космического класса, мы фактически проводим генеральную репетицию исследований, которые однажды будут проведены на поверхности Марса».
Научная группа планирует расширить географию и условия экспериментов, а также провести лабораторное моделирование, чтобы изолировать влияние отдельных факторов, таких как минеральный состав пыли. Это позволит создать исчерпывающую модель поведения заряженной пыли, применимую как для земных пустынь, так и для инопланетных миров. Работа наглядно демонстрирует, как технологии, созданные для космоса, помогают нам лучше понять нашу собственную планету и как земные пески могут стать ключом к тайнам других планет.