Ученые разобрались в структуре таинственного погодного явления

Дзен

Уникальные эффекты взаимодействия света с каплями воды в ледяном тумане объяснили ученые Томского политеха в составе международного научного коллектива. Магнитные свойства двухслойных ледяных частиц, открытые учеными, будут полезны в магнитобиологии — науке, которая сможет объяснить поведение живых организмов. Результаты представлены в Scientific reports.

Частички воды в переохлажденном воздухе (от –10 до –15 °С) похожи по структуре на желейные конфеты: жидкость находится в ледяной оболочке, рассказали в Томском политехническом университете (ТПУ). Такие структуры представляют собой резонаторы, которые могут способствовать образованию магнитных полей. Наибольший магнитный импульс испускается в момент замораживания капли, что является причиной уникальных оптических явлений: ледяных игл и световых столбов, которые также называют «прожекторами судного дня».

По словам специалистов, ледяной туман можно назвать природным метаматериалом с оптической нейронной сетью. Маленькие частицы перемерзшей воды могут «общаться» друг с другом посредством магнитных импульсов, к которым чувствительны представители животного мира, например птицы, так работает их внутренний навигатор при сезонной миграции.

Ученые ТПУ, физического факультета МГУ и Технологического института Хуайиня (Китай) создали модель магнитных эффектов в замерзающей капле воды в тумане. В ходе этого процесса специалисты обнаружили возникновение резонанса Фано — явления, которое теоретически может помочь в создании ряда новых практически важных систем.

Появление резонанса Фано, как объяснили авторы исследования, можно представить таким образом. Если в водоеме пустить волну, а потом такую же запустить под углом к первой, то при их столкновении получится новый гребень. При этом из-за особенностей погоды и рельефа он окажется неровным. То же происходит при интерференции электромагнитных волн.«

"Оптика замерзающих капель ― новое направление. Исследуя туман, мы установили, что пик резонанса Фано значительно меняется при варьировании толщины ледовой оболочки замерзающей капли. В ходе обледенения оболочки капли на ее полюсах интенсивность магнитного и электрического полей возрастает, что вызывает необычные оптические явления", — рассказал руководитель проекта, профессор отделения электронной инженерии Инженерной школы неразрушающего контроля и безопасности ТПУ Игорь Минин.

Он отметил, что для подтверждения правильности полученной модели необходимы экспериментальные работы, которые пока невозможны при имеющемся оборудовании.

«Существующие теоретические модели не учитывают магнитные эффекты, мы предлагаем корректировки, с помощью которых однажды можно будет не только управлять светом в тумане, но и объяснить поведение живых организмов, например, ежиков в нем», — отметил специалист.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда, программы развития ТПУ.