Веками странные огоньки, «танцующие» над поверхностью болот, вселяли ужас суеверным людям и рождали легенды о зловещих духах, заманивающих путников в гибельную топь. Ученые давно пытаются объяснить эти таинственные вспышки света и доказать, что причина их появления — не мистика, а природные процессы. Международная команда физиков и химиков, возможно, нашла ответ на вопрос, как именно появляются эти огоньки.
Блуждающие огни, их еще называют болотными или бесовскими огоньками, — редкое природное явление, которое обычно наблюдают по ночам на болотах. Эти синеватые или голубовато-бледные огни, бесшумно появляющиеся и исчезающие в ночи, традиционно связывали с потусторонними силами — душами грешников, призраками, лесными духами. Научный взгляд на явление сформировался гораздо позже.
Исследователи предполагали, что свечение вызывает горение газов, которые выделяются при гниении органики в толще болотного ила. Главными «подозреваемыми» стали метан и фосфин. Однако эта гипотеза имела серьезный изъян. Непонятно было, какой механизм воспламеняет эти газы над поверхностью воды. Версии о статическом электричестве или ударах молнии не находили убедительных доказательств и не могли объяснить все случаи появления таинственных огней. Загадка оставалась открытой, оставляя простор для мистики и научных споров.
Прорыв в этом вопросе совершила международная команда физиков и химиков под руководством Ричарда Заре (Richard Zare) из Стэнфордского университета в США. Ученые обратили внимание на свойство обычной воды. В предыдущих работах исследователи уже наблюдали, как микроскопические капельки воды, размером не более крупинки соли, способны накапливать электрический заряд и порождать крошечные искры. Это натолкнуло на мысль, что нечто похожее может происходить и с пузырьками газа.
Заре и его коллеги провели эксперимент. В лаборатории они пропускали через воду микропузырьки метана и воздуха. Процесс фиксировали с помощью высокоскоростной камеры, счетчика фотонов и спектрометра — приборов, способных уловить мельчайшие вспышки света.
Оказалось, пузырьки метана, поднимаясь к поверхности, деформируются, трутся друг о друга и о воду и в результате этого процесса накапливают электрический заряд. Когда два таких заряженных пузырька сливаются, разность потенциалов между ними становится столь велика, что проскакивает миниатюрная электрическая искра. Ученые дали этому феномену название — «микромолния».
Исследователи не только наблюдали вспышки между пузырьками, но и проанализировали их спектры. Спектральный состав вспышек совпадал с эмиссией, характерной для возбужденных молекул и радикалов, участвующих в процессах окисления. Иными словами, микромолнии производили достаточно энергии, чтобы возбуждать молекулы газа и заставить их «загореться».
Заре с командой выяснили, что подводная микромолния инициирует окисление метана (через образование возбужденных молекул/радикалов). По мере подъема пузырьков реакция продолжается у поверхности и проявляется как видимое холодное свечение. Речь идет о низкотемпературной химической реакции, которая дает видимое свечение и выделяет тепло, то есть о «холодной» форме окисления.
Говоря проще, процесс, запущенный микромолнией, наблюдается у поверхности. В момент, когда пузырек оказывается на границе воды и воздуха, реакция проявляется в виде видимой вспышки холодного свечения. Именно это свечение воспринимают наблюдатели как «блуждающий огонек»: сама искра, возникшая между пузырьками под водой, служит «запалом».
Научное сообщество положительно оценило работу команды Заре, но отнеслась к ней с осторожностью. По мнению специалистов, предложенный механизм может объяснять многие случаи болотных огоньков, особенно там, где выделяется метан. Однако пока рано называть его универсальным. В отдельных ситуациях он не подходит, конкретно там, где возможна роль других факторов, например фосфина или иных химических и физико-химических процессов. Тем не менее открытие подтолкнет других ученых к новым экспериментам и проверкам.
Выводы исследователей представлены в журнале PNAS.