„… My, ludzie na Ziemi, jesteśmy za mali, aby oczyścić nasze wulkany. Dlatego sprawiają nam tyle kłopotów”.
Antoine de Saint-Exupery „Mały Książę”
Prawdopodobnie wszyscy widzieliście tego typu błyskawice. Ciekawe zjawisko! Przychodzą na myśl przeróżne fantastyczne filmy… Na przykład „Władca Pierścieni”:-)
Proponuję zobaczyć wybór tych zamieszek natury i wnętrzności ziemi. Prawie wszystkie zdjęcia można kliknąć.
Przyczyna wystąpienia zwykłego wyładowania atmosferycznego podczas burzy pozostaje przedmiotem badań, a natura wyładowań wulkanicznych jest jeszcze mniej poznana. Jedna z hipotez sugeruje, że wyrzucane bąbelki magmy lub popiołu wulkanicznego są naładowane elektrycznie i poruszają się, tworząc oddzielne obszary. Jednak wyładowania wulkaniczne mogą być również spowodowane przez ładowanie kolizji w pyle wulkanicznym.
Film promocyjny:
Naukowcom udało się zarejestrować aktywność elektryczną w chmurze popiołu wulkanicznego z niespotykaną dotąd rozdzielczością i zidentyfikować dwa rodzaje wyładowań atmosferycznych, które występują podczas erupcji. Erupcja wulkanu Redout znajdującego się na Alasce została poprzedzona charakterystyczną aktywnością sejsmiczną, która pozwoliła zespołowi naukowców z New Mexico Institute of Mining na wcześniejsze założenie sieci miniaturowych stacji obserwacyjnych w pobliżu krateru.
Wyposażono ich w ultrakrótkofalowe detektory radiowe, które rejestrowały uderzenia pioruna w wyrzuconą chmurę popiołu. Podczas erupcji wulkanolodzy zaobserwowali 16 potężnych burz, co dostarczyło im dużej ilości danych do późniejszej analizy.
W rezultacie naukowcom udało się odkryć, że wyładowania wulkaniczne dzielą się na dwa typy: stosunkowo małe, występujące bezpośrednio w pobliżu krateru oraz potężne, obserwowane wysoko w chmurze popiołu. Zdaniem naukowców oba mają inny charakter. Małe błyskawice o niskim natężeniu są wynikiem procesów elektrycznych zachodzących w magmie, ponieważ rozpada się na wiele małych cząstek. Duże pioruny w chmurze popiołu pojawiają się, gdy temperatura spada poniżej -20 stopni Celsjusza, gdy przechłodzone kropelki wody zamarzają. Podobne procesy wywołują wyładowania w chmurach podczas burz. Naukowcy odkryli również korelację między wysokością chmury popiołu a mocą i częstotliwością uderzeń pioruna.
Rozważono główne procesy fizyczne odpowiedzialne za elektryfikację chmury gazu i ciepła nad wulkanem. Przeanalizowano niektóre cechy mechaniki aerozolu wulkanicznego i jego separacji grawitacyjnej. Wykazano, że najważniejszymi spośród wielu fizycznych i fizykochemicznych procesów generowania i separacji ładunków w chmurze wulkanicznej są emisja termioniczna i termoelektryczność. Obliczane są główne prawa rządzące elektryfikacją cząstek aerozolu podczas tych procesów. Stwierdzono, że dla powstania wyładowań atmosferycznych w chmurze wulkanicznej wyrzucony materiał musi zawierać zauważalną ilość drobnej frakcji (1-30 mikronów). Pokrótce przeanalizowano możliwości udziału innych procesów fizycznych w elektryfikacji cząstek aerozolu i chmury wulkanicznej jako całości. Uwzględniono również kinetykę separacji ładunków i warunki powstawania wyładowań atmosferycznych w chmurach wulkanicznych. Pokazano zależność między intensywnością procesów elektrycznych a energią i mocą erupcji. Stwierdzono, że niezbędny jest pomiar aktywności elektrycznej chmur ciepła wraz z badaniem kinetyki usuwania masy i określeniem początkowej temperatury wyrzucanego materiału.
Zjawiska elektryczne w aerozolach są bardzo zróżnicowane zarówno pod względem formy, jak i intensywności. Najbardziej imponujące procesy elektryczne zachodzą w naturalnych aerozolach przy dużych objętościach (szacowanych na dziesiątki i setki tysięcy metrów sześciennych) i przy wysokich napięciach (do setek megawoltów) [1, 2]. Częstotliwość wyładowań atmosferycznych w chmurach burzowych czasami sięga 0,05 - 0,2 s-1. Jednak największą intensywność procesów elektrycznych obserwuje się w suchych chmurach ciepła gazu nad wulkanami (patrz bibliografia w [3]). Co druga duża błyskawica (z których jedną pokazano na ryc. 1), znacznie częstsze małe wyładowania iskier o długości 8-10 m, intensywna i długotrwała poświata korony na terenach pokrytych chmurą wulkaniczną - oto krótka lista zjawisk, które zaobserwowano podczas erupcji wulkanu …
Nie każdej erupcji towarzyszy błyskawica. Oznacza to, że intensywność elektryfikacji aerozolu wulkanicznego zasadniczo zależy od charakterystyki erupcji. Ogólnie mówiąc, elektryfikacja cząstek aerozolu może zachodzić z wielu powodów związanych z procesami fizycznymi i fizykochemicznymi zachodzącymi w chmurze gaz-żużel-ciepło [3, 4]. Jednak biorąc pod uwagę fakt, że intensywność elektryfikacji aerozolu wulkanicznego jest znacznie większa niż wszystkich innych znanych aerozoli [3 - 6], można wyróżnić szereg specyficznych procesów, które odgrywają główną rolę w chmurze wulkanicznej.
- Najważniejsze cechy aerozolu wulkanicznego to:
- bardzo wysoka gorączka;
- duża różnica temperatur stałych cząstek aerozolu zarówno między sobą, jak iw stosunku do otaczającego gazu;
- silna niestacjonarność układu cząstek popiołu wulkanicznego zawieszonych w gazie. Jeżeli zwykłe aerozole są starsze niż 1 min, a obliczone stężenia takiego aerozolu nie mogą już przekraczać na = 103 części / cm3, wówczas procesy elektryzacji aerozolu wulkanicznego przebiegają przy stężeniach n »107 - 109 części / cm3 i, jak zostanie pokazane poniżej, praktycznie kończą się koniec drugiej sekundy istnienia aerozolu;
- wulkaniczny aerozol, w przeciwieństwie do wszystkich innych, obejmuje popiół, lapilli, żużel, a nawet bomby wulkaniczne, tj. całe widmo masowe od ~ 10-12 do> 103 g.
W pracy rozważono dwa mechanizmy elektryfikacji popiołu popiołu wulkanicznego, a mianowicie termoemisję elektronów i termoelektryczność. Obliczenie procesu emisji termicznej pozwala określić minimalną temperaturę początkową Tmin wyrzucanego materiału, poniżej której intensywność emisji cieplnej jest na tyle niska, że nie jest już w stanie zapewnić zauważalnej elektryfikacji. Czas działania mechanizmu termicznego zależy od czasu chłodzenia cząstek od temperatury początkowej do ustalonej Tmin i może wynosić od ~ 0,1 do ~ 10 s. Wykazano również, że termoelektryczny mechanizm elektryzacji cząstek aerozolu wulkanicznego nie posiada „progu” temperaturowego, dlatego zakres działania tego mechanizmu w zakresie temperatury jest większy niż emisja termoelektryczna, a odstęp czasowy wynika z czasu rozcieńczania aerozolu i jest prawie stały (~ 1,5 s).
Chociaż termoelektryczny mechanizm elektryfikacji jest czasami gorszy od termoemisji pod względem szybkości generowania ładunku, jest znacznie szerszy pod względem zakresu działania, ponieważ działa w każdym aerozolu, jeśli występuje różnica temperatur między stykającymi się cząstkami DT ~ ~ 10 K i wyższymi. Wykazano również, że inne mechanizmy elektryfikacji omawiane w literaturze (piezoelektryczność, efekt baloelektryczny, tarcie cząstek i strumieni gazu itp.) Nie mogą odgrywać znaczącej roli w powstawaniu ładunków elektrycznych i wyładowań atmosferycznych nad wulkanami, przede wszystkim ze względu na brak kierunkowości tych zjawisk. procesy niezbędne do gromadzenia i rozdzielania ładunku w skali makroskopowej. Przypomnijmy, że do zaistnienia pioruna potrzebne są dwa procesy: elektryzacja cząstek w skali mikroskopowej oraz rozdzielenie ładunków w skali całej chmury. Drugi jest dłuższy,dlatego błyskawica pojawia się znacznie później niż początek wyrzutu.
W tej pracy bardziej zwięźle omówiono procesy makroskopowe. Złożoność procesów sedymentacji i separacji naładowanego aerozolu w warunkach turbulentnego mieszania się chmur o różnej skali chmury wulkanicznej nie pozwala na rygorystyczne obliczenia, więc ograniczyliśmy się do przywołania (tam gdzie to możliwe) analogii z procesami zachodzącymi w chmurach burzowych. W efekcie sformułowano kryteria, których spełnienie jest niezbędne do wystąpienia wyładowań atmosferycznych o różnych skalach.