ПеТа (Перельмана – Татарченко) излучение

ПеТа излучение — это инфракрасное характеристическое излучение, сопровождающее фазовые переходы первого рода, главным образом кристаллизацию расплава и конденсацию или осаждение пара. Излучение является результатом высвобождения скрытой энергии фазового перехода. Иногда применяются другие аббревиатуры
ИКХИ — инфракрасное характеристическое излучение, ФП — фазовопереходная люминесценция.
Наиболее важным и широко распространённым примером ПеТа эффекта является инфракрасное излучение при образовании облаков и тумана.

История вопроса

Конденсация водяного пара при образовании облаков и тумана является простейшим примером фазового перехода первого рода. Это экзотермический процесс, то есть он протекает с выделением тепла и на молекулярном уровне может быть описан как переход молекул с более высокого возбуждённого энергетического уровня в пересыщенном паре на более низкий уровень в жидкости. Энергетический зазор между уровнями соответствует скрытой энергии конденсации на молекулу. В течение длительного времени считалось, что при переходе из пара в жидкость эта энергия отводится за счёт теплопроводности, то есть при каждом акте перехода молекула пара рождает несколько фононов. Например, Джон Мейсон на этой основе предложил теорию образования облаков, которая вошла во все учебники по метеорологии.

Однако в 1960-годах советские физики Марк Перельман и Виталий Татарченко независимо друг от друга предложили возможность ещё одного механизма для освобождения от избытка энергии — испускание одного или нескольких фотонов. При этом, энергия фотона оказывается равной полной скрытой энергии фазового перехода на молекулу, если один фотон рождается, или части этой энергии, если рождается больше одного фотона. Совокупность фотонов должна образовать характеристический для данного вещества спектр фазового перехода, аналогично тому, как это происходит в лазере.

Открытие заставляет пересмотреть устоявшуюся точку зрения на известные физические процессы — конденсацию пара и замерзание жидкостей, что может привести к пересмотру некоторых аналитических моделей, особенно при анализе атмосферных процессов.

Открытие не получило быстрого широкого признания в среде физиков, однако привлекло внимание известного советского физика Андрея Сахарова. Благодаря его поддержке Марк Перельман опубликовал свои первые теоретические работы. Подробно об истории открытия двух советских ученых рассказал журнал New Scientist незадолго до смерти М.Перельмана в 2010 году.

В. Татарченко исследовал это излучение экспериментально при кристаллизации расплавов. Расчёты показывали, что излучение должно лежать в инфракрасном диапазоне. Поэтому представлялось логичным провести кристаллизацию веществ, прозрачных в этом диапазоне. Идеальными представлялись щёлочно-галлоидные кристаллы (NaCl, LiF и др.) и сапфир (Al2O3). В 1966 году В.Татарченко начал эксперименты в ЛФТИ им. А. Ф. Иоффе АН СССР, далее эксперименты продолжались в ГОИ им. Вавилова и ИФТТ АН СССР. Характеристическое излучение для этих веществ лежит в том же диапазоне, где планковское излучение кристаллизующегося расплава наиболее интенсивно, что затрудняло его фиксацию. Поэтому первые положительные результаты были получены только в 1968 году.

Однако первая работа В. Татарченко была принята к публикации лишь в 1977 году. Позже были опубликованы ещё две статьи . В 2006 году М. Перельман и В. Татарченко объединили свои усилия и опубликовали совместно ряд работ . В 2010 году журнал «NewScientist» в подробную статью об открытии включил обсуждение этого эффекта с учеными разных стран. В процессе дискуссии это физическое открытие было названо «Эффектом Перельмана-Татарченко» (аббревиатура «ПеТа эффект»).

Фиксация ПеТа излучения при кристаллизации расплавов

Ученые, занимавшиеся кристаллизацией расплавов, множество раз фиксировали ИК излучение по время работы. Вот некоторые результаты этих измерений.

2.1. При исследовании инфракрасных эмиссионных спектров, сопровождающих кристаллизацию щёлочно-галлоидных соединений (LiF, NaCl, NaBr, NaI, KCl, KBr, KI) и хлорида свинца PbCl2, на фоне теплового излучения фиксировались дополнительные пики, соответствующие длине волны λ ≈ 3 — 4µm. Интенсивность характеристического излучения возрастала с увеличением скорости кристаллизациию. Для LiF была получена тонкая структура пика излучения.

2.2. При кристаллизации расплава сапфира (Al2О3) на фоне теплового излучения был выделен пик неравновесного излучения с максимумом на длине волны 1.1 мкм, соответствующей однофотонному излучению энергии кристаллизации сапфира (скрытая теплота фазового перехода 26 ккал/моль).

2.3. Спектры излучения при кристаллизации расплава тиосульфата натрия, имеющего низкую температуру плавления, фиксировались приёмником, имеющим высокую чувствительность в спектральном диапазоне 2.5 — 10.0 мкм. Температура и энтальпия плавления этого вещества соответственно следующие: 48,5 °C, 23.4кДж/моль. В отличие от экспериментов со щелочно-галлоидными соединениями и сапфиром, низкая температура плавления исследуемого вещества облегчила регистрацию неравновесного ИК-излучения. При кристаллизации расплава, переохлаждённого на 15 °C, что обеспечивало высокую скорость кристаллизации, отчётливо проявлялся пик неравновесного излучения.

2.4. В одном из экмпериментов дифференциальная детектирующая система, позволяющая регистрировать очень быстрые процессы в инфракрасном диапазоне 2 — 4 мкм, была использована для исследования кристаллизации теллура. Кристаллизация образцов массой 10г начиналась при глубоком переохлаждении порядка 100 °C и происходила в течение 1.5 миллисекунд с испусканием интенсивного излучения. В обычных условиях расплав теллура не прозрачен в указанном диапазоне. Регистрация ПеТа излучения в данном эксперименте возможна благодаря специфическому эффекту — появлению окна прозрачности для ПеТа излучения в переохлаждённых расплавах

Теоретические предпосылки существования ПеТа эффекта

На микроскопическом уровне в рамках квантовой электродинамики возможность излучательного фазового перехода в деталях анализируется в нескольких работах Перельмана и Татарченко Это излучение находится в полном соответствии с явлением сверхизлучения, предсказанного Робертом Дикке в его работе «Coherence in Spontaneous Radiation Processes» // Phys. Rev. 1954. V.93. № 1. Р. 99‒110. Явление сверхизлучения состоит в том, что система возбуждённых частиц за счёт их взаимного влияния друг на друга посредством общего поля излучения испытывает оптический переход на нижний уровень за время, много меньшее времени радиационного распада отдельной частицы. Именно эта ситуация и реализуется при фазовых переходах, так как это коллективный процесс. Очень важным является вопрос, какая часть скрытой энергии фазового перехода излучается. Этот вопрос теоретически ещё не решён. Специальных экспериментов такого рода тоже не проводилось. Очевидно, что количество излучённой энергии прежде всего зависит от прозрачности обеих (метастабильной и стабильной) фаз. Проблема прозрачности метастабильной фазы очень специфична. Действительно, по аналогии с лазером, эта фаза содержит два уровня — основной и возбуждённый. Следовательно, эта среда может функционировать как усилитель и при условиях достаточного пересыщения должна быть прозрачна для ПеТа излучения. Этот эффект был назван окном прозрачности пересыщенной фазы. Это объясняет, почему ПеТа излучение детектируется при фазовых переходах ряда веществ, непрозрачных для инфракрасного излучения.

ПеТа эффект при конденсации и осаждении водяного пара

4.1. Исследование ПеТа излучения при искусственном образовании облаков было начато на основе публикаций. Эксперименты проводились на установке для конденсации водяного пара при различных пересыщениях, что достигалось уменьшением давления путём выпуска воздуха из камеры сравнительно малого объёма в вакуумированную камеру большого объёма (подобно камере Вильсона второго типа). Для исследования ПеТа эффекта специальная фото-ячейка была добавлена к установке. Ячейка улавливала излучение от конденсирующегося пара через специальное окно, прозрачное как для видимого, так и ИК излучения. Излучение детектировалось ИК детектором МГ — 30, чувствительным в области от 2 до 14 µм. Было найдено, что интегральная интенсивность ПеТа излучения на порядок превосходила интенсивность Планковского излучения. Применение узкополосных фильтров позволило установить, что 50 % излучаемой энергии находится в диапазоне от 3.3 до 5.5 µm.

4.2. Эксперименты с глубоким охлаждением. Для экспериментов с охлаждением жидким азотом был использован Perkin Elmer Frontier MIR спектрометр, который по своим параметрам на два порядка превосходил регестрирующую аппаратуру, используемую для первых экспериментов по исследованию ПеТа эффекта Для каждого эксперимента излучающий объект — 200 мл чашка из различных материалов помещалась на расстоянии 4 см от входного окна спектрометра. Спектрометр регистрировал излучение от стенок чашки.

     Рис.1. Интегральная интенсивность излучения в области 1 — 25 µм от стенок тигля.
На Рис. 1 представлено изменение интегральной интенсивности излучения в области 1 — 25 µм от стенок алюминиевой или пластиковой чашки в результате некоторых манипуляций. В точке А1 показана интегральная интенсивность Планковского излучения при комнатной (25ºС) температуре. Через 20 сек в чашку помещается другая чашка с жидким азотом. Интегральная интенсивность начинает падать вследствие падения температуры. По расчётам, когда температура достигнет 77 К, интенсивность должна упасть в 3500 раз. Но в точке В1 она начинает расти и возрастает в 3 раза по сравнению с комнатной температурой. Это объясняется появлением ПеТа излучения в результате осаждения и конденсации составляющих воздуха (в основном водяного пара) на стенках чашки. Операция повторяется много раз (на рисунке — 6 раз), и каждый раз результат тот же самый.

Рис.2. Температурная зависимость интегральной интенсивности излучения в области 1 — 25 µм от стенок тигля.

На Рис.2 показано, что интегральная интенсивность ПеТа излучения увеличивается с уменьшением температуры мишени (а следовательно — с увеличением скорости осаждения). Для этого был создан специальный тигель с вмороженной в его стенки термопарой.

В ещё одной работе были проведены эксперименты по сопоставлению интенсивностей ПеТа и Планковского излучений: Алюминиевый стакан был наполнен жидким азотом (77 K). Стенки стакана покрылись ледяной плёнкой. Была измерена интегральная интенсивность излучения, U1, в диапазоне от 1 до 25 мкм от стенок стакана. Потом пластиковый стакан был наполнен тёплой водой с температурой выше точки росы, и измерялась интегральная интенсивность излучения U2 в том же диапазоне, и температура стаканчика повышалась пока интенсивности U1 и U2 не сравнялись. При уменьшении температуры от комнатной до 77 K максимум Планковского излучения перемещается от 9.9 мкм к 37.6 мкм, и интегральная интенсивность Планковского излучения в диапазоне от 1 до 25 мкм уменьшается в 3500 раз. Это означает, что при этой температуре от стенок стакана исходит только ПеТа излучение. Таким образом, было установлено, что при температуре лаборатории 298 K и относительной влажности 47 % (что соответствует точке росы 286 K) интенсивность интегрального ПеТа излучения при 77 K равняется интенсивности Планковского излучения при 329 K. Спектры обоих излучений приведены на Рис.3. Подобный же эксперимент при аналогичных условиях был проведён с двумя пластиковыми стаканами, заполненными раствором спирта и нагретыми до температур ниже и выше точки росы. Было найдено, что интенсивность излучения при температуре 253 K равна интенсивности Планковского излучения при температуре 298 K. Однако при температуре 253 K мы не можем пренебречь Планковским излучением.

Таким образом, было найдено, что интенсивность суммы ПеТа и Планковского излучений при 253 K равна интенсивности Планковского излучения при 298 K. Спектры обоих излучений приведены на Рис. 3.

Рис. 3. Четыре радиационных спектра, Uλ, в условных единицах, соответствующих четырём различным температурам излучающих объектов

Источники инфракрасного излучения в природе

  Вот несколько примеров проявления ПеТа эффекта в атмосфере.

5.1. Ещё в 1968 году авторы одной из работ разработали фотокамеру, позволяющую получать фотографии объектов в различных спектральных диапазонах. В инфракрасном диапазоне 8 — 14 мкм они обнаружили в земной атмосфере источники излучения, которые не могут быть объяснены ни равновесным тепловым излучением, ни эффектами отражения (Рис. 4). Эти источники соответствуют нижним частям формирующихся облаков с температурой −5ºC и поднимающемуся тёплому воздуху, насыщенному водяным паром. Авторы признаются, что природа обнаруженного излучения им не ясна.
По мнению Перельмана и Татарченко, в этом случае зафиксировано ПеТа излучение при конденсации водяного пара.

     Рис. 4. Фотографии кучевых облаков в обычном (слева) и инфракрасном (справа) свете.

5.2. В работах приведены факты фиксации инфракрасного излучения широкополосным радиометром в диапазоне длин волн 7 — 14мкм в районе села Преображенка Читинской области на высоте порядка 1 км над уровнем моря 14 июля 1987 года и 14 декабря 2006 года во время существования слабой грозовой облачности. Импульсы излучения превышали по мощности все возможные помехи. 5.3. Инфракрасное излучение, фиксируемое искусственными спутниками земли (ИСЗ), позволяет получать интересную информацию о процессах, происходящих на земной поверхности и в земной атмосфере, если трактовка инфракрасных изображений является правильной. В этом параграфе и параграфе 5.4 рассматриваются два примера, показывающих, какие ошибки возникают, если не учитывать ПеТа излучение.
На Рис.5 показано распределение температуры на склонах гор, зафиксированное американскими ИСЗ Температура повышается вверх по склону, достигает максимума примерно на его середине и далее уменьшается с приближением к вершине. Это распределение температуры не соответствует наземным измерениям. По мнению авторов открытия, спутники меряют не температуру а интенсивность инфракрасного излучения, а затем в предположении, что это равновесное излучение, по формуле Планка переводят его в температуру. На самом деле, это неравновесное ПеТа излучение, возникающее при образовании облаков. Максимум этого излучения совпадает с местом наиболее интенсивного облакообразования.

     Рис.5. Распределение яркостной температуры на горных склонах:
     Слева — Западный склон горы Тайбэй (Калмфорния, США); Справа — Приморский разлом (Сибирь, Россия).

5.4. Регистрация водяного пара по ИК излучению. В настоящее время существует множество изображений земли, снятых из космоса в различных спектральных диапазонах. Как правило, инфракрасный диапазон 6.7 — 6.9 мкм используется для регистрации водяного пара в земной атмосфере. Однако специалисты, работающие в этой области, не могут правильно интерпретировать результаты, если они игнорируют наличие ПеТа излучения.

Например, на специализированном сайте приводятся фотографии земли, снятые на длине волны 6.7мкм (Рис.6). Для интерпретации ИК изображений со спутников обычно используется популярная книга по метеорологии, в которой поясняется: «Картина распределения водяного пара возникает из излучения, испускаемого им в диапазоне длин волн 6.5 — 7.0 мкм. Это не окно прозрачности, а часть спектра, где водяной пар является доминантным абсорбером. Центр полосы абсорбции соответствует 6.7 мкм». При этом не объясняется, какова физическая природа излучения. В результате возникает путанница в интерпретации изображений.

На упомянутом выше сайте Рис. 6 комментируется так: «Эти приборы могут воспроизводить изображение в диапазоне 6.7мкм, регистрируя излучение, поглощаемое водяным паром в верхней тропосфере. На этой картинке тёмные области соответствуют высокой концентрации водяного пара в то время как яркие области являются сравнительно сухими». В то же время на сайте Imaging the Earth приводится противоположная интерпретация того же изображения: «Спутник регистрирует излучение, испускаемое водяным паром в верхней тропосфере. Области с высокой концентрацией водяного пара являются яркими, а тёмные пятна соответствуют низкой его концентрации».

Рис. 6. Фотография земли, снятая в ИК диапазоне на длине волны 6.7мкм.[33]

     Рис. 6. Фотография земли, снятая в ИК диапазоне на длине волны 6.7мкм.

5.5. Эффект иглу. Иглу, или снежный дом, — это типичное убежище, построенное из снега. Снаружи иглу температура может быть −45˚C, а внутри от −7˚C до +16˚C. Широко распространённое мнение: это объясняется тем, что снег является хорошим изолятором. Но это не объясняет увеличение температуры внутри иглу. С другой стороны, вышеописанные эксперименты показывают, что снежные стены иглу должны быть хорошим источником ПеТа излучения, которое создаёт комфортные условия внутри иглу, чем и объясняется широкое распространение этих жилищ в северных странах.

5.6. Духота перед ураганом. Духота перед ураганом — хорошо известное явление. Она заканчивается с первыми каплями дождя. Этот эффект связан с ПеТа излучением во время интенсивного образования облаков.

Перспективы использования ПеТа эффекта

Экспериментальные и теоретические аспекты ПеТа продолжают изучаться, но специалисты уже называют возможные варианты применения открытия

6.1. В соответствие с принципом квантовой электродинамики, сформулированным Эйнштейном, наличие спонтанного перехода должно приводить к возможности стимулировать этот переход. Например, кристаллизация переохлаждённого расплава или пересыщенного пара может стимулироваться ПеТа излучением. Это может привести к созданию новых технологий роста кристаллов.

6.2. Образование облаков может иметь место в результате облучения атмосферы ПеТа излучением. Это может стимулировать атмосферные осадки.

6.3. При этом первичный ПеТа-луч будет усилен. Таким способом энергия конденсации пара может быть аккумулирована в атмосфере, создав новый источник энергии в атмосфере.

6.4. Инфракрасный лазер может быть создан на основе кристаллизации или конденсации различных веществ, в частности, водяного пара в атмосфере.

6.5. Этот лазер может быть использован для аккумулирования энергии конденсации. Представим себе систему из двух параллельных зеркал (одно из них полупрозрачное) площадью 1м2 на расстоянии 1 м одно от другого. Поместим эту систему в атмосферу, где водяной пар насыщен, но ещё не сконденсирован. Как отмечалось выше, таким местом может быть склон горы на высоте 1000—2500 м. Каким-либо способом спровоцируем конденсацию пара. Около 10г водяного пара будет сконденсировано в этом объёме 1м3. Это соответствует выделению 25кДж энергии. При этом система будет работать как лазер. Если обеспечить движение воздуха в системе со скоростью 1м/с, то при разумном значении кпд 8 % можно создать импульсный генератор мощностью 2 квт и частотой 1гц. Для сравнения, солнечная батарея площадью 1м2 обеспечивает мощность 100 вт при наличии солнечного освещения.

6.6. Образование грозовых облаков и ураганов, очевидно, сопровождается мощным ПеТа излучением. Его регистрация может служить, наряду с другими существующими способами, целям грозовых предупреждений. Дополнительные сведения о структуре грозовых облаков и ураганов также могут быть получены.

6.7. Излучение является одним из ключевых элементов физики атмосферы. Для решения научных проблем, лежащих в основе глобального изменения климата создана в том числе Международная Программа Измерения Атмосферной Радиации (Atmospheric Radiation Measurement Program — ARMP). Её деятельность сфокусирована на роли облаков в радиационных атмосферных процессах. ПеТа эффект может включаться во все расчёты энергетического баланса в атмосфере. В частности, инфракрасное переизлучение в космос, особенно в результате формирования облаков на большой высоте, служит одним из каналов охлаждения атмосферы. «Искусственное образование таких облаков могло бы обеспечить дополнительное охлаждение земной атмосферы», — считает Виталий Татарченко. То есть влияние водяного пара на энергетический баланс в атмосфере гораздо сильнее, чем это предполагают все современные модели, и усиление парникового эффекта объясняется не столько увеличением содержания СО2 в атмосфере, сколько изменением содержания водяного пара.

6.8. ПеТа излучение может быть использовано для обнаружения воды на других планетах.

6.9. ПеТа эффект объясняет чрезмерное ИК излучение и цвет других планет, например, природу большого красного пятна Юпитера. ПеТа излучение есть результат конденсации и замерзания в верхних слоях атмосферы газов, предварительно нагретых у поверхности и конвективно поднимающихся вверх

6.10. В окне прозрачности атмосферы — в диапазоне длин волн от 7 до 14 мкм ни один из составляющих атмосферу газов не имеет полос поглощения. Поэтому аномально высокое поглощение в этом диапазоне оставалось непонятным на протяжении многих лет. ПеТа эффект объясняет это явление. В США группа исследователей во главе с М. Брюстером доказала это теоретически и экспериментально.

В этой статье или секции нет ссылок на источники информации. Вы можете помочь улучшить эту статью, добавив список литературы или внешние ссылки. Эта отметка стоит на статье с 2015-12-07.