Як вулкани створюють блискавку?

 

Коли гаряча розплавлена ​​порода просувається через земну кору та виходить на поверхню, це часто призводить до виверження вулкана. Ці виверження іноді відбуваються через повільні та постійні потоки, але часто проявляються у величезних спалахах активності. Коли відбувається цей останній випадок, велика кількість попелу, пилу, каміння, летких газів і лави викидається за дуже короткий проміжок часу. Хоча ми можемо вважати це основними ознаками вулкана, часто це супроводжує чудове візуальне видовище: вулканічна блискавка. Хоча не кожне виверження породжує це приголомшливе світлове шоу, люди спостерігали та записували його незліченними поколіннями. Тепер, маючи глибоке розуміння фізики та фізичних наук, ми нарешті розуміємо, як це виробляється.

Вулканічні блискавки найчастіше трапляються навколо вулканів із великими стовпами попелу, особливо під час активних стадій виверження, коли тече розплавлена ​​лава створює найбільші градієнти температури. Явище блискавки було чудово зафіксовано навколо низки нещодавніх вивержень вулканів, у тому числі вулканів Ейяф’ятлайокутль в Ісландії, Сакураджіма в Японії, вулкан Етна в Італії та вулкани Пуйєхуе, Кальбуко та Чайтен у Чилі. Але те, що ви можете не знати, це явище, яке було зафіксовано не лише під час останнього виверження вулкана Везувій у 1944 році, але й було точно описано майже 2000 років тому!

Кожен удар блискавки — це обмін приблизно 10 в 20-му степені електронами, або — у розгорнутій формі — 100 000 000 000 000 000 000 заряджених частинок. Можливо, ви звикли, що атоми нейтральні, з рівною кількістю електронів, як і протонів у їхніх ядрах, але тепло й тертя роблять атоми напрочуд легкими отримувати або втрачати електрони, перетворюючи їх на іони. При температурах, які досягають вулкани, для атома є енергетично сприятливим для іонізації, коли він або забирає, або втрачає електрон (або два, або три). Нам, звичайно, не потрібно впадати в ці крайнощі, щоб знайти іони; щось таке просте, як тертя вовняних шкарпеток об килим, є прикладом перенесення електронів і утворення іонів.

Тепер, якщо ви можете відокремити ці іони один від одного, ви створите поділ заряду, який створює напругу. Коли напруга між двома областями стає занадто великою — навіть якщо повітря є єдиним між ними — вона спонтанно стає провідною, створюючи пробій матеріалу між цими віддаленими областями. Відбувається обмін зарядом, який відбувається надзвичайно швидко, і це те, що ви бачите як удар блискавки! Загалом, за останні пару століть відбулося понад 150 різних вивержень, у яких були зареєстровані вулканічні блискавки.

Яким би складним не здавалося це явище та яким би важким не було передбачити, за яких обставин воно відбудеться, а за яких — ні, для того, щоб це сталося, вам потрібно зробити лише три кроки. Ось наука про те, як вулкани створюють блискавки:

1.) Почніть з великої кількості позитивних і негативних іонів . Поєднання тепла (від типової вулканічної температури 1500 K) і різноманітного складу того, що викопує вулкан, гарантує, що значна частина частинок, що виходять, не є нейтральною. Електрони можуть порівняно легко відштовхуватися від одних молекул і поглинатися іншими; для окремих частинок попелу, які виходять, багато позитивно заряджених іонів і багато негативно заряджених іонів. Чим гарячіший вулкан і чим сильніше виверження, тим більша ймовірність побачити вулканічну блискавку.

Зверніть увагу на відео вище, що вулканічна блискавка з’являється лише тоді, коли матеріал із найгарячішою температурою — справжня текуча лава — стає видимою біля основи стовпів попелу. Крім знаків зарядів, що відрізняються один від одного, вони також повинні мати різні молекулярні (або атомні) маси один від одного, а також різні фізичні розміри (або поперечні перерізи). Це надзвичайно важливо, оскільки дозволяє зробити другий важливий крок.

2.) Відокремте негативні заряди від позитивних . Нейтральні атоми мають різні фізичні розміри один від одного, а заряджені атоми (і молекули) мають цю різницю ще більше перебільшену. Існують також значні відмінності маси між різними атомами та молекулами, що важливо, тому що надання тієї ж кількості енергії легшій частинці означає, що вона рухатиметься швидше. І, нарешті, існує також температурний градієнт, коли частинки, які щойно виходять, мають вищу температуру, ніж ті, які деякий час перебували в атмосфері.

Ця комбінація різних температур і різних мас надає цим іонам різні швидкості один від одного. А коли у вас турбулентне середовище, дрібніші й легші частинки зазвичай легше переносяться на великі відстані, завдяки чому заряди легко розділяються на великі відстані.

3.) Досить велика кількість розділених зарядів витікає сама по собі, створюючи блискавку . Розділені великі кількості зарядів створюють різницю напруги. Якщо у вас є досить велика різниця в просторі, що містить будь-який матеріал, навіть якщо це ізоляційний або надзвичайно розріджений матеріал, як повітря, ви отримаєте електричний розряд, який є ударом блискавки!

Це воно! Це загальний процес роботи вулканічної блискавки. Поєднайте ці речі разом: різні маси (і заряди) іонів, що рухаються з різними середніми швидкостями з різними поперечними перерізами в середовищі з градієнтом температури, і ось ваш рецепт для поділу зарядів. Отримайте достатньо велике розділення зарядів на потрібній відстані, і це дасть вам удар блискавки. Це походження вулканічної блискавки.

Завжди є кілька деталей, які потрібно заповнити, щоб покращити наше розуміння того, як саме це відбувається під час кожного окремого виверження вулкана. Серед невирішених питань:

чому іноді це відбувається за фактичної відсутності хмар попелу?

чому багато ударів відбуватимуться серії, тоді як інші відбуватимуться з відносно постійною частотою?

і чому деякі вулкани, здається, його взагалі не мають?

Але ця основна картина є неспростовною, і вона дала нам кілька вражаючих видовищ для всього світу, якими можна поділитися. Вулканічні блискавки можуть бути одноразовими, або удари можуть тривати хвилини, години або навіть кілька днів.

Використовуючи техніку зйомки або сполучення, або покадрову зйомку, ви часто можете побачити кілька спалахів на одній складеній фотографії, багато з яких містять десятки або навіть сотні окремих блискавок. У міру того, як заряди рухаються, кожен окремий удар відрізняється, але фізика універсальна. Все, що для цього потрібно, це тепло, іонізація, різноманітність молекул і транспорт, і коли достатня кількість заряду відокремлюється на потрібну відстань, виникають електричні розряди. Ось як ви створюєте вулканічну блискавку, і вражаючий результат не схожий ні на що інше у світі.

Климчук Артемія