Naukowcy od dawna fascynują się potężnymi wyładowaniami elektrycznymi towarzyszącymi dużym erupcjom wulkanów. Podczas erupcji Hunga Tonga Hunga Ha’apai w 2022 r. skala wydarzenia była zdumiewająca – tylko jedna erupcja spowodowała ponad 2600 błyskawic na minutę, a aktywność elektryczna osiągnęła wysokość 31 kilometrów nad poziomem morza.
Chociaż te „wulkaniczne błyskawice” są ekscytujące wizualnie, od dawna stanowią poważną zagadkę naukową: w jaki sposób dokładnie wytwarzana jest energia elektryczna w takim środowisku?
Tajemnica naładowanej pętli
Aby zrozumieć znaczenie tego odkrycia, musisz najpierw zrozumieć, jak działa zwykła błyskawica. W typowej chmurze burzowej ładunki elektryczne powstają w wyniku zderzeń różnych typów cząstek:
– Kryształki lodu wznoszą się pod wpływem prądu wznoszącego i uzyskują ładunek dodatni.
– Graupel (miękki grad) spada, uzyskując ładunek ujemny.
Oddzielenie tych przeciwstawnych ładunków wytwarza napięcie elektryczne, które ostatecznie jest wyładowywane w postaci pioruna.
Jednak pióropusze wulkaniczne różnią się zasadniczo. Zamiast lodu i gradu składają się z suchego popiołu i fragmentów skał. Ponieważ cząstki te często składają się z tego samego materiału skalnego, naukowcom trudno było wyjaśnić, w jaki sposób zderzenia między nimi mogą prowadzić do rozdzielenia ładunków dodatnich i ujemnych. W normalnych warunkach cząstki o tym samym składzie nie powinny przenosić między sobą znacznych ładunków elektrycznych.
Przełom: rola węgla
Nowe badanie opublikowane w czasopiśmie Nature przez Austriacki Instytut Nauki i Technologii w końcu zidentyfikowało brakujące ogniwo. Sekret nie leży w samej skale wulkanicznej, ale w mikroskopijnej warstwie cząsteczek bogatych w węgiel pokrywających cząstki.
Wyniki badań ujawniły zasadniczą różnicę:
– Czysta krzemionka: Kiedy naukowcy testowali idealnie czyste cząstki krzemionki, wykazali niewielką tendencję do gromadzenia ładunku podczas zderzenia.
– Krzemionka pokryta węglem: Przy obecności cienkiej warstwy węgla cząstki zaczęły skutecznie przenosić ładunki podczas zderzeń.
To „zanieczyszczenie” nie jest przypadkowe. Intensywne ciepło powstające podczas erupcji wulkanu wystarczy, aby zareagować z cząsteczkami zawierającymi węgiel w otaczającym powietrzu, w zasadzie „malując” cząsteczki popiołu cienką, przewodzącą warstwą węgla.
Dlaczego to jest ważne?
Odkrycie to wypełnia lukę pomiędzy meteorologią a wulkanologią. Wyjaśnia, w jaki sposób wyjątkowa termodynamika erupcji – mianowicie ekstremalne temperatury i silne prądy wstępujące – tworzy idealne laboratorium do akumulacji ładunku elektrycznego.
Ciepło tworzy powłokę węglową, a prądy wstępujące powodują zderzenia z dużą prędkością potrzebne do oddzielenia ładunków. Mechanizm ten zamienia suchą chmurę gruzu w masywny, aktywny elektrycznie „silnik” zdolny do generowania najpotężniejszych uderzeń piorunów na Ziemi.
Identyfikując chemiczny „klej”, który pozwala popiołowi zachowywać się jak kryształki lodu, naukowcy mogą teraz dokładniej modelować zachowanie elektryczne smug wulkanicznych oraz potencjalne ryzyko, jakie stwarzają dla lotnictwa i środowiska.
Wniosek
Obecność osadów węgla w popiele wulkanicznym wyjaśnia, w jaki sposób suche fragmenty skał mogą…
