Космические лучи приносят информацию о космосе, но есть попытки исследовать с их помощью близлежащие объекты, Марс и Луну.

Мюон мониторит циклон

Космические лучи приносят информацию о космосе, но есть попытки исследовать с их помощью близлежащие объекты, Марс и Луну (см. реферат «Нейтрино с Луны», «Наука и жизнь» № 3, 2022 г., стр. 44). Можно их использовать и для исследования происходящего на Земле. Мюоны, генерируемые в атмосфере Земли потоками космических лучей, обладают высокой проникающей способностью и применяются для радиографии — просвечивания различных объектов для исследования их внутренней структуры. Мюонная радиография применялась, например, для исследования рудных шахт, пирамиды Хеопса и вулканов. Обстоятельный обзор этих методов был опубликован в журнале «Успехи физических наук» (2017, № 12, стр. 1375).

Мюонной радиографией можно изучать и структуру больших воздушных масс в атмосфере. Ранее уже выполнялись измерения временных вариаций атмосферного давления с помощью мюонов, летящих вертикально. Профессор Танака (Токийский университет, Япония) и его коллеги впервые применили мюонную радиографию в исследовании атмосферных циклонов. Для измерения их вертикального профиля использовались мюоны, летящие под малыми углами к поверхности Земли. За 2016—2021 годы ими была изучена структура семи тайфунов (зрелых тропических циклонов) вблизи японского города Кагосима. Применялись трёхслойные сцинтилляционные детекторы мюонов, экранированные слоем свинца и стали. Полученные с помощью наземной сети таких детекторов последовательные изображения показали наличие в центрах циклонов тёплых ядер пониженной плотности, окружённых более холодными плотными слоями воздуха. Атмосферная мюонная радиография может найти применение для предсказания зарождения циклонов и раннего предупреждения об опасных погодных явлениях.

Tanaka H. et al. Atmospheric muography for imaging and monitoring tropic cyclones. Scientific Reports 2022, v. 12, article number 16710. При подготовке реферата использована публикация «Мюонная радиография атмосферных циклонов» в рубрике «Новости физики в сети Internet (по материалам электронных препринтов)» УФН, 192, № 11, с. 1295—1296 (2022), ведущий рубрики Ерошенко Ю. Н. (с разрешения редакции УФН).

Лазер — и полетели!

При поглощении лазерного излучения веществом оно нагревается. Если нагрев приводит к испарению вещества (это называют «лазерная абляция»), на поверхность, в соответствии с законом сохранения импульса, действует сила. Если она достаточно велика, то, что осталось, может быть сильно сжато и попутно нагрето так, что начнётся лазерный термоядерный синтез.

Сотрудники Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН поставили и решили более скромную и легче реализуемую задачу — сделать на основе абляции реактивный двигатель для малых космических аппаратов, простой, надёжный, долговечный, легко управляемый. В реализованной ими конструкции испаряемое или поджигаемое вещество в виде отдельных таблеток прикреплено к прозрачной ленте. С обратной стороны на ленту направлен лазер — или непосредственно, или через оптоволокно, передающее его излучение. Лента протягивается перед лазером, таблетка совмещается с излучателем, импульс испаряет таблетку. Для увеличения тяги двигателя каждая таблетка помещена в капсулу с миниатюрным соплом, которое направляет летящее вещество в одну сторону. Испытания (пока в земных условиях) с неодимовым лазером (1,06 мкм, импульс 10 мДж и 20 нс, частота 10 Гц) и пороховыми таблетками 0,12 и 0,24 г подтвердили работоспособность такого двигателя. На практике в качестве рабочего вещества для таблеток авторы предлагают использовать не просто испаряющиеся под воздействием высокой температуры твёрдые материалы, а твёрдые ракетные топлива и бризантные взрывчатые вещества.

Реактивным мини-двигателем было бы удобно изменять ориентацию космического аппарата, корректировать направление движения и стабилизировать положение в пространстве.

Державин С. И., Кравченко Я. В., Мамонов Д. Н., Тимошкин В. Н., Чебан М. Д. Лазерный двигатель на основе абляционно-реактивного эффекта в плёнках. Письма в ЖТФ, 2023, вып. 3, с. 26.

Кристалл в плазме

Откуда в плазме, то есть в ионизированном газе, кристаллы? В природе плазма часто содержит микрочастицы, пыль. Так устроены межзвёздные облака, атмосферы комет, а на Земле — серебристые облака. А ещё есть мнение, что шаровая молния — плазма, содержащая пыль или нити. В плазме пылинки заряжаются и начинают взаимодействовать друг с другом.

Плазменный кристалл перед плавлением, в центре кристалла возникает расслоение и квадратная решётка. Цвет частиц определяется значением вертикальной координаты z и меняется от синего к красному при её увеличении (шкала в правом верхнем углу). В правом нижнем углу — вид сбоку на ситуацию расслоения. Рисунок из реферируемой статьи.

Исследователи из Объединённого института высоких температур РАН (Москва) организовали высокочастотный разряд в аргоне (0,7 Ра, 14 МГц) над горизонтальным дисковым электродом и ввели в разряд шарики из полистирола размером 7 мкм. Форма электрода подобрана так, чтобы частички не разбежались за его края, их количество — так, чтобы хватило на один слой (около 3000 частиц), а электрическое поле электрода — так, чтобы его воздействие на заряженные частицы компенсировало их вес. В результате частицы повисли в виде однослойного горизонтального диска и образовали «двумерный кристалл» с треугольными ячейками.

Обычные кристаллические тела плавятся, претерпевают фазовый переход, а как плавятся двумерные кристаллы? Есть разные теории, в частности, что они претерпевают не один фазовый переход, а два, эволюционируют через промежуточную частично упорядоченную фазу. В данном случае перед плавлением, то есть превращением в «двумерную жидкость» без упорядоченной структуры, частицы сначала начали колебаться по вертикали (это показала скоростная съёмка камерами), а потом перестроились в центре диска из одного слоя в два, причём с квадратными ячейками.

Сыроватка Р. А., Липаев А. М., Наумкин В. Н., Клумов Б. А. Плазменный кристалл в (3 + 1) измерениях. Письма в ЖЭТФ, 2022, вып. 12, с. 836.

№4, 2023