Charged Clouds of Ionized Gas Emerge from Tribocharging Grains

एक धूल भरी दुनिया में अदृश्य चिंगारी

एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ हवा खुद सूक्ष्म, अदृश्य संदेशवाहकों से जीवंत हो। वायुमंडलीय विद्युत विज्ञान में, ये संदेशवाहक आयन (ions) हैं—वे परमाणु या अणु जिन्होंने एक विद्युत आवेश प्राप्त किया है या खो दिया है। आमतौर पर, हम इन आयनों को अंतरिक्ष से बरसने वाली उच्च-ऊर्जा वाली ब्रह्मांडीय किरणों (cosmic rays) या जमीन के नीचे चट्टानों के रेडियोधर्मी क्षय (radioactive decay) से उत्पन्न होता मानते हैं। लेकिन उन्हें बनाने का एक और अधिक अराजक तरीका भी है: चीजों को आपस में रगड़ना। इसे ट्राइबोचार्जिंग (tribocharging) कहा जाता है, वही स्थिर बिजली (static shock) जो आपको तब मिलती है जब आप कालीन पर अपने मोजे रगड़ते हैं और फिर दरवाजे के हैंडल को छूते हैं। वैज्ञानिक लंबे समय से जानते हैं कि जब ठोस कण, जैसे धूल या रेत, आपस में टकराते हैं, तो वे आवेशों का आदान-प्रदान करते हैं। लेकिन एक बड़ा सवाल बना हुआ है: क्या यह टकराव केवल दो चट्टानों के बीच आवेशों का आदान-प्रदान करता है, या यह उनके आसपास की हवा में आवेशित कणों का एक बादल भी बिखेर देता है? यह महत्वपूर्ण है क्योंकि यदि टकराव आयनों के बादल बनाते हैं, तो यह इस बात की हमारी समझ को बदल सकता है कि गरज के बाद होने वाले तूफानों में बिजली कैसे बनती है, अन्य ग्रहों पर धूल का व्यवहार कैसा होता है, और यहाँ तक कि गैस और धूल के घूमते हुए डिस्क से नए ग्रह कैसे बनते हैं।

धूल भरा नृत्य और अदृश्य बादल

इस अध्ययन में, ड्यूइसबर्ग-एसेन विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने केवल अनुमान लगाना बंद करने और गणना करना शुरू करने का निर्णय लिया। वे यह देखना चाहते थे कि क्या दो कांच के मोतियों के आपस में टकराने की साधारण क्रिया वास्तव में आसपास की हवा में आयन छोड़ सकती है, जिससे एक "आवेश बादल" (charge cloud) बन सके। ऐसा करने के लिए, उन्होंने एक वैक्यूम चैंबर के भीतर एक बहुत ही विशिष्ट, नियंत्रित डांस फ्लोर बनाया। एक पूरी बाल्टी रेत को हिलाने के बजाय (जिससे यह जानना असंभव हो जाता है कि कितने टकराव हुए), उन्होंने केवल छह कांच के मोतियों का उपयोग किया। इनमें से तीन मोती एक चलती हुई प्लेट से चिपकाए गए थे, और अन्य तीन एक स्थिर प्लेट पर थे। जैसे ही चलती हुई प्लेट आगे-पीछे हिलती थी, मोती अपने साथियों से प्रति सेकंड लगभग तीन बार धीरे से टकराते थे।

यह सेटअप अदृश्य को पकड़ने के लिए डिज़ाइन किया गया था। मोतियों को दो बड़ी तांबे की प्लेटों के बीच रखा गया था जो एक विशाल जाल की तरह काम करती थीं। इन प्लेटों पर वोल्टेज लगाकर, शोधकर्ताओं ने एक विद्युत क्षेत्र बनाया जो एक चुंबक की तरह काम करेगा, जो किसी भी स्वतंत्र रूप से तैरते आयन को तांबे की ओर खींचेगा। यदि आयन उत्पन्न होते, तो वे प्लेटों की ओर तेजी से बढ़ते, जिससे एक सूक्ष्म विद्युत धारा (electric current) उत्पन्न होती जिसे वैज्ञानिक माप सकते थे। उन्होंने विभिन्न वायु दबावों पर इसका परीक्षण किया, जो बहुत पतली हवा (0.3 mbar) से लेकर घनी हवा (100 mbar) तक था, यह देखने के लिए कि वातावरण परिणामों को कैसे बदलता है।

उन्होंने क्या पाया

प्रयोग पूरी तरह सफल रहा। हर बार जब कांच के मोती टकराते थे, तो शोधकर्ताओं ने एक विद्युत धारा का पता लगाया, जिससे यह सिद्ध हुआ कि आयन वास्तव में हवा में उत्सर्जित हो रहे थे। आयनों की मात्रा सभी दबावों पर एक समान नहीं रही; इसके बजाय, यह लगभग 1 mbar के दबाव पर अपने उच्चतम स्तर (peak) पर पहुँच गई। इस विशिष्ट दबाव पर, टीम ने गणना की कि कांच के दो मोतियों के बीच प्रत्येक एकल टकराव से लगभग 1 पिकोकुलम्ब (pC) का आवेश (धनात्मक और ऋणात्मक दोनों ध्रुवता का) मुक्त हो सकता है। इसे समझने के लिए, एक पिकोकुलम्ब बहुत कम मात्रा में बिजली है, लेकिन दो छोटे मोतियों के बीच एक एकल उछाल के लिए, यह एक महत्वपूर्ण विस्फोट है।

शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि ऐसा इसलिए होता है क्योंकि टकराव या तो कांच की सतह से जल आयनों (water ions) को उछाल सकता है या ठीक वहीं हवा में सूक्ष्म विद्युत डिस्चार्ज पैदा कर सकता है जहाँ मोती आपस में स्पर्श करते हैं। उन्होंने पाया कि आयन उनके द्वारा परीक्षण किए गए सभी दबावों पर पाए गए, लेकिन उच्च दबाव पर उन्हें पकड़ने की दक्षता कम हो गई क्योंकि हवा के अणु आयनों को उनके डिटेक्टर तक पहुँचने से पहले ही बिखेर देते हैं।

यह क्यों महत्वपूर्ण है

यह शोध पत्र केवल यह नहीं दिखाता कि आयन मौजूद हैं; यह हमें एक ठोस संख्या देता है कि एक ही टक्कर में कितने आयन बनते हैं। लेखक सुझाव देते हैं कि उन स्थानों पर जहाँ अरबों कणों के टकराव लगातार हो रहे हैं—जैसे कि ज्वालामुखी के धुएं के भीतर, रेत के टीले की घूमती हवाओं के भीतर, या यहाँ तक कि प्रारंभिक सौर मंडल में जहाँ ग्रहों का निर्माण हो रहा है—यह प्रक्रिया वायुमंडल में आयनों का एक प्रमुख स्रोत हो सकती है। हालांकि सटीक संख्या कणों की सामग्री या आर्द्रता (humidity) के आधार पर बदल सकती है, लेकिन मुख्य निष्कर्ष स्पष्ट है: जब कण टकराते हैं, तो वे केवल टकराते ही नहीं; वे अपने आसपास की हवा को आवेशित कणों के बादल से भी रोशन कर देते हैं। यह "आवेश बादल" हवा के साथ चलने के लिए स्वतंत्र है, जो स्थानीय मौसम से लेकर अन्य दुनियाओं पर बिजली बनने तक सब कुछ प्रभावित कर सकता है।