“Električne munje su jedan od najspektakularnijih prirodnih fenomena i jedna od najočiglednijih manifestacija plazme u prirodi. Oduvek su privlačile pažnju i strahopoštavanje ljudi pa praktično u svim mitologijama vrhovna božanstva kontrolišu električne munje”, kaže dr Saša Dujko iz Instituta za fiziku u Beogradu sa kojim smo razgovarali o električnim pražnjenjima, istraživanjima plazme i putovali Sunčevim sistemom u potrazi za munjama.
U svom istraživačkom radu se bavite plazmama, koje se često naziva četvrtim agregatnim stanjem. Šta je karakteristično za njih?
Plazme su jako zanimljive. Za njih je karakteristično da je veliki broj atoma i molekula jonizovan. Drugim rečima, u plazmi postoji veliki broj naelektrisanih čestica. Često se u naučnopopularnoj literaturi plazma opisuje tako što se kaže da kada dovedemo toplotu u čvrsto stanje onda to telo pređe u tečno agregatno stanje, zatim ako ponoov dovedemo toplotu, prevedemo ga u gasovito stanje i kada dovedemo toplotu telima u gasovitom stanju dolazi do prekida tih internih veza u atomima i molekulima i imamo posla sa plazmom. Međutim, takav način predstavljanja plazme nije najbolji. Većina materije u našem vidljivom univerzumu se nalazi u stanju plazme. Tako da je plazma prvo i najvažnije stanje materije a sve ostale forme materije se mogu dobiti iz nje odvođenjem toplote.
Odakle potiče naziv plazma?
Sam termin plazma je prvi uveo Irving Langmjur krajem dvadesetih godina prošlog veka. Posmatrao je električno pražnjenje u parama žive i primetio jednu specifičnu oblast u cevi za pražnjenje koju je nazvao plazma što na grčkom znači nešto popunjeno. Postoji urbana legenda da je ime dao na osnovu razgovora sa drugim naučnicima koji su se bavili krvnom plazmom gde isto imate prenos čestica, ali to je samo jedna od legendi koja nije dokazana.
U Institutu za fiziku radite u Laboratoriji za neravnotežne procese i plazmu, pa šta su neravnotežne plazme?
Za njih je karakteristično da elektroni imaju mnogo veće energije od čestica pozadinskog gasa. Pozadinski gas ostaje u termodinamičkoj ravnoteži dok su energije elektrona mnogo veće. Ove plazme možemo dobiti u električnim gasnim pražnjenjima, kada gas izložimo dejstvu električnog polja onda elektroni dobijaju energiju i kreću se ubrzano. Kada dobiju dovoljno energije nastaje plazma. Neravnotežne plazme imaju veliki broj aplikacija. Koriste se u poluprovodničkoj industriji za proizvodnju integrisanih kola. Ove plazme možemo dobiti u različitim plazma reaktorima. Koriste se i u nekim drugim granama savremene tehnologije. Za pogon kosmičkih letelica, za proizvodnju izvora svetlosti, plazma ekrana, u zaštiti čovekove sredine (prečišćavanje vode i vazduha). Plazma medicina je doživela procvat jer se u poslednje dve decenije mnogo postiglo u kontroli električnih pražnjenja u atmosferskom pritisku.
Električne munje su pravi prirodni akcelerator čestica visokih energija jer se još od od 1994. godine zna da proizvode snopove gama fotona
Kakva je uloga Nikole Tesle u fizici plazme?
On je patentirao način za stabilizaciju lučnih pražnjenja. Napravio je Teslin oscilator koji predstavlja jedan izvor električnog pražnjenja na atmosferskom pritisku koji je inicijalno planirao za izvore svetlosti. Verovatno ste videli fotografiju gde Nikola Tesla sedi a oko njega se prostire veliki broj strimera. To je zapravo jedna lepa eksperimentalna simulacija električnih munja. U svakom slučaju postoji veliki broj njegovih doprinosa iako se nije sistematski bavio fizikom plazme jer ova disciplina još nije postojala.
Šta su električne munje i kako nastaju?
One su zapravo tranzijentna visokostrujna električna pražnjenja koja nastaju kada dođe do razdvajanja velike količine naleketrisanja suprotnog znaka u oblacima. Električne munje su jedan lokalni fenomen sa globalnim efektima jer u njima dolazi do transfera naelektrisanja između pojedinih oblasti u atmosferi. Mogu se posmatrati kao generatori u globalnom električnom kolu koje postoji između jonosfere, površine Zemlje i atmosfere. Električne munje su markeri dinamičkih i mikrofizičkih procesa koji se odvijaju u oblacima. Nastaju formiranjem jednog visokoprovodnog kanala jonizovanog gasa koji nazivamo lider. Postoje pozitivni i negativni. Ako govorimo o negativnim oblak-zemlja munjama, onda se iz oblaka odnosi velika količina negativnog nalektrisanja i taj proces započinje tako što se negativni strimeri spuštaju iz oblaka ka zemlji i kada pređu neko rastojanje zaustavljaju se i ponovo se novi strimeri spuštaju duž istog jonizovanog kanala. Kako se spušta nosi veliku količinu negativnog naelektrisanja i indukuje pozitvno naelektrisanje na zemlji i dolazi do pojačanja polja. Ukoliko je pojačanje dovoljno veliko, onda i pozitvni lider krene sa povšrne zemlje i kad se spoje ova dva lidera nastaje munja. To je ono što zovemo glavni li povratni udar. Tokom njega emituje se velika količina elektromagnetnog zračenja. Ceo proces može da se ponovi nekoliko puta pa je pogrešno uverenje da je mesto gde je udarila električna munja najsigurnije i da neće opet. To je najverovatnije mesto gde će se opet dogoditi udar munje.
Postoji više tipova električnih pražnjenja u atmosferi?
Kada se odvede velika količina naelektrisanja iz oblaka, preostalo naelektrisanje u oblaku i atmosferi formira jaka električna polja ka jonosferi. Kada ova polja postanu jača od probojnih električnih polja, ispunjeni su uslovi za pojavu munja iznad oblaka. Njihov najspektakularniji oblik su sprajtovi, grandiozna električna pražnjenja na velikim prostornim skalama od nekoliko desetina kilometara. Radi se o kolekcijama strimera. Drugi tip pražnjenja iznad oblaka su takozvani vilenjaci koji nastaju u interakciji veoma jakih elektromagnetnih impulsa sa donjim slojevima atmosfere. Na Insitititu smo se dosta bavili promodelovanjem vilenjaka ne samo u atmosferi naše već i drugih planeta. Električne munje su pravi prirodni akcelerator čestica visokih energija jer se još od 1994. godine zna da proizvode snopove gama fotona. Sve ove procese smo modelovali na Institutu i dosta se bavimo transportom pozitrona u atmosferi naše planete.
Gde sve ima munja u Sunčevom sistemu?
Električne munje su opažene u atmosferama Jupitera, Saturna, Urana i Neptuna. U svim misijama ka spoljnom Sunčevom sistemu snimljene su u atmosferi Jupitera kamerama, a opažene su i indireketno. Što se tiče Satruna, prvi put su opažene tokom Kasini-Hajgens misije, snimljene su kamerama i nema dileme da postoje. Za Uran i Neptun postoje samo indirketni dokazi još iz epohe Vojadžera koji je opazio elektrostatička pražnjenja. Najkontroverznija siutacija je za Mars i Veneru. Mars ima veoma tanku atmosferu i ni u jednoj misiji nisu snimljene električne munje ali radioteleskopima je opaženo mikrotalasno zračenje u peščanim olujama, najverovatnije zbog naelktrisavanja čestica trenjem, razdvajanja i nastajanja električnih polja koji su dovoljni za pojavu strimera, korona i električnih munja. Sa Venerom je najteža situacija jer imamo dokaze koji govore i u prilog postojanju električnih munja i dokaze koji govore da ih nema.
Dolazimo i do Titana za koji tvrdite da je najzanimljiviji objekat za proučavanje u Sunčevom sistemu.
Titan je svakako jedan od najzanimljivijih objekata za proučavanje u okviru modernog astrobiološkog diskursa. Poseduje veoma gustu atmosferu koja se sastoji iz azota, metana, vodonika, velikog broja ugljovodnika i nitrila. Još od epohe Vojadžera postalo je jasno da je ova atmosfera prebiotski reaktor na planetarnoj skali koji može da se iskoristi za proučavanje sinteze organskih molekula. Dakle, biohemijska laboratorija u kojoj možemo da proučavamo nastanak komplikovanih organskih molekula koji su imali važnu ulogu u istoriji rane Zemlje. Čim kažemo rana Zemlja, mora da se pomene i Miler-Jurijev eksperikment. U njemu je propuštano električno pražnjenje u jednoj smeši metana, vodonika, amonijaka i vodene pare i posle nekoliko dana opaženo je da je jedan izvestan sloj organskih molekula bio deponovan kako na unutrašnjosti cevi za pražnjenje tako i na elektrodama. Postoji generičko ime za ovaj sloj organskih molekula, to su tolini. Ime im je dao Karl Segan. Tolina nema u atmosferi Zemlje zbog prisustva kiseonika i upravo su to neki razlozi zašto je zanimljivo i važno proučavati električna pražnjenja u atmosferi Titana. u Titanu se događa veoma komplikovana organska hemija koju je važno razmotriti kada govorimo o mehanizmima za nastanak života iz nežive materije. Titan je idealna sredina u kojoj možemo da vidimo kako interaguju fizika plazme i astrobiologija. Proučavanje električnih pražnjenja u gasnim smešama azota, metana, acetilena, etilena, etana i drugih molekula je jedan dobar metodološki pristup za proučavanje sintze organskih molekula. Ono što je jedan od osnovnih motivacionih fakotra za naša istraživanja je činjenica da koncentracije vodonik-cijanida koji je veoma važan molekul za sintezu aminokiselina i koncentracije acetilena, etilena u atmosferi Titana su značajno veće u odnosu ona koje bismo dobili ako razmatramo samo fotohemijske modele u gornjim slojevima atmosfere. Drugim rečima, mora da postoji nekakav vid električnih gasnih pražnjenja u atmosferi Titana da bi mogla da se opravda koncentracija ovih molekula
Možete da zamislite šta to znači za astrobiologiju ako imate u unutrašnjosti tela globalni okean i organske molekule
Vi kao istraživači jedan tako daleki svet možete da upoznate iz svoje laboratorije, a ovo je prilika da i mi dobijemo razglednicu sa tog sveta. Kako izgleda Titan?
Titan je jedino mesto u Sunčevom sistemu gde imamo rezervoare tečnosti, jezera, mora, reke, s tim što su ispunjeni tečnim metanom a na osnovu veoma pažljivih merenja gravitacije Titana i radarskih osmatranja površine koja se sastoji isključivo od leda, utvrđeno je da se u unutrašnjosti Titana nalazi veliki globalni okean. Možete da zamislite šta to znali za astrobiologiju ako imate u unutrašnjosti tela globalni okean i organske molekule koji dospevaju na površinu i dokaze o kriovulkanizmu (postoje mesta gde se u vulkanskim erupcijama izbacuje velika količina vodene pare i amonijaka). Moguća su ozbiljna istraživanja o potencijalnom životu metagona na površini. Naravno, psotoje i kontra argumenti. Temperatura je previše niska. Međutim, eksperimentalno je pokazano da i u takvim uslovima dolazi do sinteze aminokiselina. Drugi argument je nedostatak tečne vode. Međutim, na površini postoji dosta tečnih hidrokarbonata. Ukoliko bi postojao život, bića bi disala vodonik, acetilen bi bio organsko gorivo i u toj reakciji bi nastajao metan. U nekim modelovanjima je pokazano da zaista imamo manjak vodonika uz samu površinu a koncentracija vodonika raste sa porastom visine što je kontraintuitivno ako uzmete u obzir da je vodonik lagan gas.
Na Institutu smo se bavili transportom elektrona u smešama azota, metana, acetilena, i najvažnijih ugljovodonika koji se nalaze u atmosferi. Imamo čitav niz alata za rešavanje Bolcmanove jednačine i rešavajući je dobijamo transportne koeficijente koje koristimo kao podatke za fluidne modele. Rešavajući fluidne jednačine dobijamo koncetracije elektrona, jona, raspodelu polja u strimerima i druge parametre. Na osnovu ovih proračuna smo videli koji su uslovi neophodni da dođe do pojava električnih munja. Ubeđen sam da postoje jer fotohemijski modeli koji se koriste nisu dovoljno precizni da objasne sam sastav atmosfere.
Zašto je tako teško pronaći električne munje u atmosferi Titana?
Titan je otkrio Kristijan Hajgens 1655. godine i u prvoj polovini 20. veka se nije puno znalo o njemu. Znalo se da ima gustu atmosferu, na osnovu spektroskopije smo znali da se u atmosferi nalaze azot i metan, ali tek od epohe Vojadžera dobili smo vertikalne profile atmosfere i postalo je jasno da je izuzetno zanimljiv objekat i počinje lavina istraživanja. Šta se događa u njegovoj atmoferi? U fotohemijskim procesima dolazi do fotodisocijacije molekula metana u gornjim slojevima, nastaju novi molekuli koji se rekombinuju, komplikovaniji su i kompleksniji i njihovom kondenzacijom mogu nastati čvrsti aerosoli organskog porekla koji formiraju jednu specifinu oblast u atmosferi Titana koju možemo opisati kao organski smog. Zbog ovog sloja nije moguće prodreti vizuelnim putem kamerama satelita i letelica koje kruže oko Titana. Ovaj organski sloj se nalazi u atmoferi Titana i u vidu padavina dospeva na površinu. Ukoliko uzmete u obzir da u atmosferi Titana postoje metanski oblaci, i da su procesi naelektrisavanja ovih metanskih oblaka moguči direktnom apsorpcijom elektrona, jasno je da se mogu ispuniti uslovi za nastajanje nekog tipa električnog pražnjenja. Tokom Kasini-Hajgens misije nisu otkrivene električne munje a najverovatniji razlog je da zbog postojanja ovog veoma gustog organskog smoga elektromagnetni zraci koji bi nastali tokom električnih munja ne bi mogli da prođu kroz ovu oblast tako da letelica nije mogla da detektuje.
Ovaj Saturnov satelit ima važno mesto i u naučnoj fantastici.
Nedavno sam gledao film Titan gde se ljudi spremaju za odlazak na Titan i menjaju se njihove osobine na genetskom nivou da bi bili bolje prilagođeni uslovima života. Svakako bih preporučio roman Artura Klarka Imperial Earth (Matica Zemlja). Ima još knjiga sa sličnom tematikom, a u romanu Majkla Svanika Slow Life dosta se eksploatišu ideje o postanku života na Titanu. Ovaj objekat se pojavljuje i u serjama Doktor Hu i Zvezdane staze, jako je zanimljv i siguran sam da će u bliskoj budućnosti biti još više zastupljen u pop kulturi.
*Razgovor je vođen u emisiji Eureka na Radio Aparatu 18. juna 2020. godine.
