СТОЛКНОВИТЕЛЬНАЯ ИОНИЗАЦИЯ КЛАСТЕРОВ.
НОВОЕ В ЭЛЕКТРОДИНАМИКЕ МЕЗОСФЕРЫ

Профессором А.Востриковым из Института теплофизики СО РАН в экспериментах с кластерными пучками было обнаружено явление электризации нейтральных кластеров полярных молекул при столкновениях с твердой поверхностью. Это инициировало развитие нового научного направления, стимулировало международное сотрудничество исследователей из разных областей науки и позволило объяснить необычные явления, наблюдаемые в ракетных экспериментах в верхней атмосфере Земли.

Недавно в журнале Nature (1999 г., т. 400, с. 544) опубликована статья профессора К.-Л.Компа (K.-L.Kompa) с сотрудниками из Макс-Планк-Института квантовой оптики (Германия) "Ионизация кластеров полярных молекул при столкновении с поверхностью, вызванная захватом атомов щелочных металлов", в которой сообщается об обнаружении еще одного механизма образования ионных пар при столкновении нейтральных кластеров с твердой поверхностью. Анализ последних публикаций на эту тему показывает, что в физике кластеров формируется новое научное направление -- взаимодействие кластеров с поверхностью, чрезвычайно важное, в том числе, для исследования верхней атмосферы Земли. Можно с гордостью отметить, что ученые Сибирского Отделения РАН внесли признанный вклад в фундаментальную базу становления этого направления. В вышеназванной статье, в списке цитируемой литературы, первыми названы работы профессора А.Вострикова из Института теплофизики СО РАН и совместные работы сотрудников ИТ СО РАН, отдела атмосферных исследований Новосибирского государственного университета (заведующий доцент А.Задорожный) и Метеорологического Института Стокгольмского университета (профессор Г. Витт -- G. Witt). Примечательно, что цитирование работ лаборатории молекулярно-пучковых исследований ИТ СО РАН, возглавляемой проф. А.Востриковым, посвященных изучению механизмов образования свободных кластеров и физико-химических процессов с их участием, непрерывно увеличивается. Так, только в недавней статье профессоров Тель-Авивского университета У.Евена (U.Even) и В.Христена (W.Christen) "Химия кластерных столкновений" (J. Phys. Chem., 1998, 102, 9420), где представлены оригинальные результаты пучковых исследований рассеяния кластеров на поверхности, авторы 11 раз сослались на результаты работ лаборатории молекулярно-пучковых исследований ИТ СО РАН.

Важную роль в развитии исследований взаимодействия кластеров с поверхностью применительно к проблемам верхней атмосферы Земли сыграла интеграция ученых, работающих в разных областях науки. Сотрудники отдела атмосферных исследований НГУ участвовали в международном ракетно-радарном геофизическом эксперименте "Серебристые облака--91", целью которого было изучение структуры и динамики летней полярной мезосферы в присутствии серебристых облаков и летнего полярного мезосферного радарного эха (PMSE). PMSE -- недавно открытое и до сих пор до конца не понятое явление когерентного рассеяния на частотах ~50--1000 МГц, наблюдаемое в летней полярной мезосфере на высотах 80--90 км обычно несколько выше видимых с поверхности Земли серебристых облаков. В ходе эксперимента 21 геофизическая ракета с научной аппаратурой исследователей из Австрии, Германии, Норвегии, России, США, Швейцарии и Швеции была запущена с ракетного полигона Эсрейндж вблизи г. Кируна в Швеции и 8 ракет -- с российского полигона на острове Хейса, архипелаг Земля Франца-Иосифа. Одним из неожиданных результатов ракетных измерений оказались необычные электрические сигналы, зарегистрированные практически всеми электрическими датчиками при прохождении ракет через слой серебристых облаков и в ряде случаев через слой PMSE. Профессор Георг Витт из Стокгольмского университета -- пионер ракетных исследований серебристых облаков, ранее уже наблюдал подобные сигналы со своего датчика заряженных частиц, но природа их оставалась неизвестной. В конце 1992 г. проф. Г.Витт неожиданно позвонил мне и сказал, что зарегистрированные нами и другими участниками эксперимента необычные сигналы в окрестности серебристых облаков можно объяснить явлением образования и разделения зарядов, которое в 1986 г. обнаружил проф. А.Востриков в лабораторных экспериментах с кластерными пучками, и попросил срочно организовать встречу с ним. Нетерпение Г.Витта было понятно, так как эти сигналы в окрестности серебристых облаков являлись его "головной болью" уже много лет. Организовать встречу мне не представляло труда, так как я был знаком с Анатолием Востриковым еще со времени учебы в физико-математической школе в Академгородке. В 1986 г. он организовал первую у нас в стране конференцию по физике свободных кластеров и пригласил на нее большую группу ученых, занимающихся исследованием верхней атмосферы, в том числе сотрудников нашего отдела.

Заведующий лабораторией молекулярно-пучковых исследований Института теплофизики СО РАН профессор А.Востриков, заведующий отделом атмосферных исследований Новосибирского государственного университета доцент А.Задорожный и профессор Стокгольмского университета Г.Витт на XX Генеральной ассамблее Международного союза геодезии и геофизики, 1995 г., Боулдер, США.

Через неделю после упомянутого телефонного звонка из Швеции два энергичных человека встретились в Новосибирске, и быстро договорились о развитии экспериментальных и теоретических работ по исследованию явления электризации нейтральных кластеров в столкновениях с твердой поверхностью. Г.Витта потряс уникальный комплекс физического оборудования, созданного А.Востриковым для исследования слабосвязанных кластеров. Через месяц А.Востриков выступил с докладами в Стокгольмском и Геттеборгском университетах в Швеции и на конференции по физике кластеров и поверхностей в Австрии. Г.Витт подключил к этим исследованиям еще ряд групп в США и Швеции. В качестве основной задачи совместных исследований лаборатории А.Вострикова и нашего отдела было намечено исследование процессов, происходящих при столкновениях ледяных микрочастиц серебристых облаков с поверхностями электродов ракетных датчиков. Мы должны были подтвердить или опровергнуть "ударный" механизм электризации датчиков в ракетных экспериментах. Как оказалось, это можно было сделать только на двух установках -- самых мощных в мире генераторах молекулярных пучков в Институте теплофизики СО РАН и в Лос-Аламосовской лаборатории в США.

В 1993--1995 гг. на генераторе молекулярных пучков в Институте теплофизики были проведены уникальные эксперименты по лабораторному моделированию процессов, происходящих при прохождении ракеты через слой серебристых облаков в натурном эксперименте. Было промоделировано обтекание ракетных датчиков сверхзвуковым потоком кластеров воды размером до 10 нанометров, то есть немного меньше типичного размера частиц серебристых облаков. Были выполнены также пучковые исследования механизмов образования и пространственного разделения зарядов при рассеянии кластеров воды на модельных твердых поверхностях. В результате полностью подтвердился кластерный механизм электризации ракетных датчиков. Более того, по форме и интенсивности электрического сигнала с датчика электрического поля НГУ, зарегистрированного в ракетном эксперименте "Серебристые облака--91", и результатам лабораторных экспериментов были впервые получены прямые доказательства присутствия в мезосфере в слое PMSE конденсированных частиц и оценен их размер ~25 нанометров. Тем самым были получены данные, свидетельствующие в пользу одного из предложенных механизмов возникновения PMSE с участием многократно заряженных аэрозольных частиц. Подтвердился также механизм полярной ионизации молекул воды при рассеянии кластеров, предложенный в 1987 году А.Востриковым. Особенно интересным оказалось то, что зарядка кластеров воды происходит также при их рассеянии поверхностью льда. Этот результат указывает на возможный, ранее не исследованный механизм ионизации аэрозольных частиц в мезосфере, обусловленный их взаимными столкновениями. Крайне важным этот механизм представляется для образования многократно заряженных аэрозольных частиц, которые, как предполагается, играют ключевую роль в электродинамике мезосферы, в частности, в формировании PMSE и в генерации наблюдающихся в мезосфере больших электрических полей.

Результаты выполненных экспериментов стимулировали молекулярно-динамические исследования кинетики столкновений кластеров между собой и с поверхностью, которые совместно ведутся в отделе атмосферных исследований НГУ, лаборатории молекулярно-пучковых исследований ИТ СО РАН и Институте вычислительных технологий СО РАН, а также в ряде зарубежных лабораторий (Швеция, США, Франция, Израиль). Оказалось, что внутрикластерные ионно-молекулярные процессы вызваны сильно неравновесным распределением кинетической энергии столкновения между молекулами кластера. Уникальность этого процесса заключается в том, что при тепловых скоростях столкновений энергия возбуждения отдельных молекул кластера может превышать энергию ионизации, а время пространственного разделения зарядов при фрагментации кластеров оказывается порядка периода молекулярных колебаний, т.е. конечный результат формируется в пикосекундном интервале времени.

В заключение можно отметить, что выполненные исследования были поддержаны Международным научным фондом и Российским фондом фундаментальных исследований. В настоящее время, несмотря на явно недостаточное финансирование наших работ грантами РФФИ и практическое отсутствие бюджетного финансирования, мы продолжаем совместные с лабораторией молекулярно-пучковых исследований ИТ СО РАН эксперименты и расчеты по кластерной электризации. Подготовлена схема и оборудование для проведения экспериментов в ион-кластерных и кластер-кластерных пересекающихся пучках на генераторе молекулярных пучков Института теплофизики. Это будут первые экспериментальные исследования процесса электризации кластеров полярных молекул в их взаимных столкновениях. Как уже упоминалось, такая электризация может приводить к многократной зарядке мезосферного аэрозоля. Учитывая, что свойства кластеров сильно зависят от их размера (числа молекул в них), исследования будут проведены в широком диапазоне размеров кластеров (от единиц до сотен тысяч молекул). Планируемые лабораторные исследования важны не только для понимания процессов происходящих в верхней атмосфере, но и для создания новых приборов для измерения характеристик атмосферного аэрозоля, основанных на явлении обнаруженном в ИТ СО РАН. Основной энергетический заряд, поддерживающий данные исследования в наше трудное время, как обычно, исходит от А.Вострикова. Мы и наши зарубежные коллеги, которые проводят исследования на малых установках с ограниченными параметрами кластерных пучков, надеемся получить новые уникальные результаты и уверены, что кластеры удивят нас еще не раз.

А.Задорожный, к.ф.-м.н.,
заведующий отделом атмосферных исследований
Новосибирского государственного университета.