Як народжується блискавка у вулкані: вчені знайшли несподіваний “пусковий механізм”
Вулканічні блискавки виглядають як хаотичні спалахи в темних хмарах попелу, але їхнє походження значно складніше — і починається з дуже дрібних процесів. Нове дослідження показує, що ключ до цього явища може ховатися у майже невидимому шарі вуглецю, який осідає на частинках просто з повітря.
Коли відбувається виверження, у повітря піднімаються величезні хмари попелу. Усередині них мільярди крихітних частинок постійно зіштовхуються між собою. Під час цих зіткнень накопичується електричний заряд, і в певний момент це призводить до потужного розряду — блискавки. Сам процес передачі заряду добре відомий науці й називається трибоелектричним ефектом. Це те саме явище, через яке, наприклад, волосся прилипає до повітряної кульки.
Однак довгий час залишалося без відповіді одне важливе питання: як однакові частинки, зроблені з одного й того ж матеріалу, можуть отримувати протилежні заряди? Адже логічно було б очікувати, що вони поводитимуться однаково.
Відповідь виявилася несподівано простою. Дослідники з’ясували, що вирішальну роль може відігравати тонкий шар вуглецевих сполук, який осідає на поверхні частинок із навколишнього середовища. Цей шар настільки тонкий, що його неможливо побачити неозброєним оком, але він здатен змінювати електричну поведінку матеріалу.
У лабораторії вчені провели експеримент із крихітною кулькою з кремнезему — матеріалу, з якого складається звичайний пісок. Частинку утримували в повітрі за допомогою звукових хвиль і змушували періодично торкатися поверхні з того ж матеріалу. Після кожного контакту дослідники вимірювали електричний заряд.
Коли поверхню очищали від вуглецевого шару за допомогою нагрівання або плазми, заряд частинки змінювався. Але з часом, коли вуглець знову осідав із повітря, поведінка поверталася до початкової. Це стало ключовим доказом того, що саме цей невидимий шар створює різницю між, здавалося б, однаковими частинками.
Ба більше, ефект виявився універсальним. Дослідники перевірили й інші матеріали — зокрема оксиди алюмінію, цирконію та інші мінерали. У кожному випадку видалення вуглецю змінювало знак електричного заряду. Це означає, що поверхневі “забруднення”, які раніше вважалися неважливими, насправді можуть визначати поведінку частинок.
Це відкриття допомагає краще зрозуміти, як саме виникають вулканічні блискавки. У хмарі попелу частинки постійно рухаються, розділяються за розміром і накопичують заряд. У якийсь момент різниця потенціалів стає настільки великою, що відбувається електричний розряд — ми бачимо спалах блискавки.
Втім, значення цього відкриття виходить далеко за межі вулканів. Подібні процеси можуть відбуватися в пустельному пилу, атмосфері інших планет і навіть у промислових матеріалах. Те, як частинки заряджаються і взаємодіють, впливає на їхнє переміщення, злипання і навіть на формування складніших структур.
Деякі вчені також припускають, що електрична активність у давніх вулканічних хмарах могла відігравати роль у хімічних процесах на ранній Землі — наприклад, у формуванні органічних молекул.
Головне ж відкриття полягає в іншому: навіть найдрібніші деталі, такі як тонкий шар вуглецю на поверхні частинки, можуть визначати великі природні явища. І тепер наука отримала новий ключ до розуміння того, як із хаосу попелу народжується блискавка. Дослідження опубліковане в журналі Nature.