Коллектив ученых из Института космических исследований Российской академии наук (ИКИ РАН) и МФТИ разработал комплексную методику для регистрации и расшифровки электромагнитных сигналов, порождаемых мельчайшими электрическими разрядами в пылевых потоках.
Сочетая лабораторные симуляции марсианских условий, полевые эксперименты в земной пустыне и теоретический анализ, исследователи создали основу для понимания электрической активности в атмосферах других планет. Это поможет обеспечить безопасность будущих роботизированных и пилотируемых миссий на Марс, Луну и Венеру. Результаты работы опубликованы в журнале Solar System Research. Исследование было проведено в рамках проекта «Планета» при поддержке ИКИ РАН.
Планеты, окутанные пылью, такие как Марс, давно будоражат человеческое воображение. Глобальные пылевые бури, способные скрыть от глаз всю поверхность Красной планеты, и стремительные пылевые дьяволы, мчащиеся по пустынным равнинам,— неотъемлемая часть ее климата.
Однако эта пыль — не просто инертная взвесь.
В сухой, разреженной атмосфере Марса, состоящей в основном из углекислого газа, сталкивающиеся частицы песка и пыли активно обмениваются зарядами в результате трибоэлектрического эффекта — явления, знакомого каждому, кто тер воздушный шарик о волосы.
Накопление статического электричества приводит к возникновению микроскопических разрядов — искр, невидимых глазу, но излучающих электромагнитные волны. Эти разряды представляют собой потенциальную угрозу для чувствительной электроники космических аппаратов и могут влиять на химию атмосферы. Длительное время ученые лишь предполагали наличие этого явления, но не имели инструментов для его изучения и, что важнее, для его интерпретации.
Целью российских ученых было научиться по характеру радиосигнала определять свойства частиц, вызвавших разряд, и условия, в которых он произошел. Для этого они применили уникальный трехуровневый подход, объединив эксперименты в контролируемых условиях с наблюдениями в реальной среде.
На первом этапе в лаборатории была создана «миниатюрная песчаная буря в банке». Ученые сконструировали специальную камеру, в которой с помощью компрессора создавался вихревой поток воздуха, поднимающий образцы песка. Внутри камеры сверхчувствительная спиральная антенна улавливала радиоимпульсы от микроразрядов.
Проведя серию экспериментов с силикатным песком, отсортированным по размеру частиц, команда обнаружила первую ключевую закономерность. Оказалось, что разные фракции пыли дают разные сигналы: мелкие частицы (менее 40 микрометров) генерируют более частые, но сложные, многокомпонентные сигналы, тогда как более крупные песчинки порождают редкие, но мощные и четкие одиночные импульсы.
Рисунок 1. Лабораторная установка для создания «песчаной бури в банке». Слева (a) — схема эксперимента: сжатый воздух создает вихрь, поднимающий частицы песка в 3D-печатной камере, а встроенная антенна (EMA) регистрирует электромагнитные импульсы от микроразрядов. Справа (b) — фотография реальной установки в процессе работы. Источник: Solar System Research, 2025
Следующим шагом стало воссоздание марсианских условий. Исследователи поместили пылевую камеру в вакуумную установку и заполнили ее углекислым газом при низком давлении, имитирующем атмосферу Красной планеты.
В качестве «пыли» использовались как природные земные пески, так и синтетические аналоги марсианского грунта с высоким содержанием оксидов железа. Эксперименты подтвердили: состав пыли также влияет на разряд. Изолирующие силикаты способствуют накоплению большого заряда и генерируют интенсивные всплески, в то время как более проводящие базальтовые частицы, характерные для Марса, быстрее рассеивают заряд, что приводит к более слабым, но постоянным электромагнитным сигналам.
Более того, в ходе отдельного эксперимента по измерению так называемой кривой Пашена ученые доказали, что в разреженной углекислотной атмосфере Марса электрический пробой происходит при значительно более низком напряжении, чем на Земле. Это означает, что для возникновения искры на Марсе требуется гораздо меньше накопленного заряда, а значит, такие явления там должны быть широко распространены.
Рисунок 2. Экспериментальная установка для моделирования электрических явлений в атмосфере Марса. Пылевая камера интегрирована в вакуумную систему, которая откачивается и затем заполняется углекислым газом при низком давлении. Этот стенд позволяет изучать генерацию электромагнитных сигналов в условиях, максимально приближенных к марсианским. Источник: Solar System Research, 2025
Абделаал Мохамад Эссам Сайед, кандидат физико-математических наук, сотрудник кафедры космической физики МФТИ, рассказал:
«Нам удалось на практике подтвердить гипотезу, что частицы марсианской пыли производят электрический разряд, который при столкновении генерирует электромагнитные излучения, причем разные в зависимости от заряда и других условий. Около 30 лет этот вид излучения был известен только в теории, никаких доказательств того, что этот вид электромагнитного излучения не был зарегистрирован ни в природе, ни в лабораториях.
Мы проводили эксперименты с несколькими материалами и даже ездили с коллегами из Института космических исследований и Института физики атмосфер в пустыню в Республике Калмыкия, чтобы изучить это явление в природе. Надеюсь, когда-нибудь сможем изучить электромагнитные явления, связанные с динамикой пылевых частиц в атмосфере Марса, непосредственно на этой планете».
Рисунок 3. Сигналы пыли разного размера. Каждая панель показывает электромагнитный сигнал от разряда (вверху) и его спектральный анализ во времени (цветное изображение внизу), где цвет отражает интенсивность сигнала на определенной частоте. Видно, как меняется структура сигнала: от мощного одиночного всплеска для мелких частиц (a, <20 мкм) до сложной, двухэтапной структуры для несортированной смеси песка (d). Источник: Solar System Research, 2025
Именно для проверки и калибровки лабораторных данных ученые предприняли третий, решающий шаг — экспедицию в Калмыцкую степь, чей засушливый климат и песчаные ландшафты служат хорошим земным аналогом Марса.
Рисунок 4. Прибор «Пылевой комплекс» (Dust Complex) во время полевых измерений в Калмыкии. Электромагнитный анализатор с антенной установлен на мачте для регистрации естественных радиосигналов, порождаемых электризацией пыли в приземном слое атмосферы. Такие полевые кампании необходимы для калибровки лабораторных данных и проверки моделей в реальных условиях. Источник: Solar System Research, 2025
Разместив на метеорологической мачте тот же самый прибор ЭМА, они в течение нескольких дней регистрировали естественные электромагнитные сигналы, одновременно фиксируя скорость ветра, влажность, температуру и уровень солнечной радиации.
Результаты полностью подтвердили выводы, сделанные в лаборатории. Анализ показал четкую корреляцию: число и интенсивность электромагнетических всплесков резко возрастали в середине дня, когда влажность воздуха падала до минимума (ниже 20%), а температура и солнечное излучение достигали пика. Это доказывает, что именно синергия этих факторов создает идеальные условия для электризации пыли.
Уникальность работы заключается в синтезе трех подходов. Ранее исследования были либо чисто теоретическими, либо ограничивались одним типом эксперимента. Российские ученые впервые создали сквозную методику, в которой один и тот же прибор используется для изучения искусственно созданных разрядов в лаборатории и их естественных аналогов в поле, что позволяет напрямую сопоставлять результаты и строить надежные физические модели.
Понимание этих процессов — не только фундаментальная наука, позволяющая нам заглянуть в самое сердце пылевых бурь на других планетах. Это в первую очередь вопрос безопасности будущих колонистов и робототехники. Статический разряд, безобидный на Земле, в сухой марсианской атмосфере может вывести из строя сложнейшую электронику. Новая методика позволяет создать своего рода «электрический прогноз погоды», который предупредит о зонах повышенной электростатической опасности. Это знание необходимо для проектирования защиты космических аппаратов и скафандров нового поколения.
Установка электромагнитного анализатора на будущие марсоходы или стационарные станции позволит ученым в реальном времени изучать атмосферу, получая данные о динамике пылевых бурь, распределении частиц по размерам и даже об их минеральном составе. Эта работа закладывает фундамент для будущих исследований, которые могут быть расширены для изучения электрических явлений в сернокислотных облаках Венеры или над поверхностью Луны, где пыль поднимается ввысь под действием солнечного ветра.
Научная статья: Mohamad E. Abdelaal, Alexander V. Zakharov; Electromagnetic Phenomena Induced by Charged Dust Particles Dynamics in Planetary Atmospheres: Laboratory Simulations and Field Observations, Solar System Research, 2025, vol. 59:85; DOI: https://doi.org/10.1134/S0038094625600519
