Wetenschappers zijn al lang gefascineerd door de gewelddadige, elektrische verschijnselen die gepaard gaan met grote vulkaanuitbarstingen. Tijdens de Hunga Tonga-Hunga Ha’apai-uitbarsting in 2022 was de omvang van dit fenomeen onthutsend: een enkele uitbarsting produceerde meer dan 2.600 bliksemflitsen per minuut, waarbij de elektrische activiteit een hoogte bereikte van 31 kilometer (19 mijl) boven zeeniveau.
Hoewel deze ‘vulkanische bliksemshows’ visueel adembenemend zijn, hebben ze historisch gezien een belangrijke wetenschappelijke puzzel gepresenteerd over hoe elektriciteit in een dergelijke omgeving wordt opgewekt.
Het mysterie van de oplaadpluim
Om te begrijpen waarom deze ontdekking belangrijk is, moet je eerst kijken hoe standaardbliksem werkt. Bij een typische onweersbui worden elektrische ladingen gegenereerd door botsingen tussen verschillende soorten deeltjes:
– IJskristallen stijgen op bij opwaartse luchtstromen en nemen een positieve lading op.
– Graupel (zachte hagel) valt en krijgt een negatieve lading.
De scheiding van deze tegengestelde ladingen creëert de elektrische spanning die uiteindelijk als bliksem wordt ontladen.
Vulkanische pluimen zijn echter fundamenteel anders. In plaats van ijs en hagel bestaan ze uit droge as en rotsfragmenten. Omdat deze deeltjes vaak van hetzelfde rotsachtige materiaal zijn gemaakt, hadden wetenschappers moeite om uit te leggen hoe botsingen daartussen konden resulteren in de scheiding van positieve en negatieve ladingen. Onder normale omstandigheden mogen deeltjes met dezelfde samenstelling geen significante elektrische ladingen aan elkaar overdragen.
De doorbraak: de rol van koolstof
Nieuw onderzoek gepubliceerd in het tijdschrift Nature door het Institute of Science and Technology Austria heeft eindelijk de ontbrekende schakel geïdentificeerd. Het geheim zit niet in het vulkanische gesteente zelf, maar in een microscopisch kleine laag van koolstofrijke moleculen die de deeltjes omhullen.
De bevindingen van de onderzoekers onthullen een cruciaal onderscheid:
– Pure Silica: Toen wetenschappers perfect schone silicadeeltjes testten, vertoonden ze weinig tot geen neiging om tijdens botsingen een lading op te pikken.
– Koolstofgecoate silica: Toen er een dunne laag koolstof aanwezig was, begonnen de deeltjes tijdens botsingen effectief ladingen over te dragen.
Deze ‘besmetting’ is geen toeval. De intense hitte van een vulkaanuitbarsting is voldoende om te reageren met koolstofhoudende moleculen die in de omgevingslucht aanwezig zijn, waardoor de asdeeltjes effectief worden “geschilderd” met een dunne, geleidende laag koolstof.
Waarom dit belangrijk is
Deze ontdekking overbrugt de kloof tussen meteorologie en vulkanologie. Het legt uit hoe de unieke thermodynamica van een uitbarsting – met name de extreme hitte en krachtige opwaartse luchtstromen – het perfecte laboratorium voor elektrisch opladen creëert.
De hitte zorgt voor de koolstofcoating, terwijl de opwaartse luchtstromen de botsingen met hoge snelheid veroorzaken die nodig zijn om die ladingen te scheiden. Dit mechanisme transformeert een droge puinpluim in een enorme, elektrisch actieve motor die in staat is de meest intense blikseminslagen op aarde te veroorzaken.
Door de chemische ‘lijm’ te identificeren die ervoor zorgt dat as zich als ijskristallen gedraagt, kunnen wetenschappers nu het elektrische gedrag van vulkanische pluimen en de potentiële risico’s die ze opleveren voor de luchtvaart en lokale omgevingen beter modelleren.
Conclusie
De aanwezigheid van koolstofcoatings op vulkanische as verklaart hoe droge rotsfragmenten kunnen
