Ученых давно завораживают мощные электрические разряды, сопровождающие крупные извержения вулканов. Во время извержения вулкана Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай в 2022 году масштабы этого явления были ошеломляющими: всего одно извержение порождало более 2600 вспышек молний в минуту, а электрическая активность достигала высоты 31 километра над уровнем моря.
Хотя эти «вулканические молнии» выглядят визуально захватывающе, они долгое время представляли собой серьезную научную загадку: как именно в такой среде генерируется электричество?
Тайна заряженного шлейфа
Чтобы понять значимость этого открытия, нужно сначала разобраться, как работает обычная молния. В типичной грозовой туче электрические заряды возникают в результате столкновений различных типов частиц:
— Ледяные кристаллы поднимаются восходящими потоками и приобретают положительный заряд.
— Граупель (мягкий град) падает вниз, приобретая отрицательный заряд.
Разделение этих противоположных зарядов создает электрическое напряжение, которое в конечном итоге разряжается в виде молнии.
Однако вулканические шлейфы принципиально отличаются. Вместо льда и града они состоят из сухого пепла и обломков горных пород. Поскольку эти частицы часто сделаны из одного и того же скального материала, ученым было трудно объяснить, как столкновения между ними могут привести к разделению положительных и отрицательных зарядов. В обычных условиях частицы одного и того же состава не должны передавать друг другу значительный электрический заряд.
Прорыв: роль углерода
Новое исследование, опубликованное в журнале Nature Австрийским институтом науки и технологий, наконец выявило недостающее звено. Секрет кроется не в самой вулканической породе, а в микроскопическом слое богатых углеродом молекул, покрывающих частицы.
Результаты исследований выявили критическое различие:
— Чистый кремнезем: когда ученые тестировали идеально чистые частицы кремнезема, они почти не проявляли склонности к накоплению заряда при столкновениях.
— Кремнезем с углеродным напылением: при наличии тонкого слоя углерода частицы начали эффективно передавать заряды во время столкновений.
Это «загрязнение» не случайно. Интенсивного тепла вулканического извержения достаточно, чтобы вступить в реакцию с содержащимися в окружающем воздухе углеродсодержащими молекулами, фактически «окрашивая» частицы пепла тонким проводящим углеродным слоем.
Почему это важно
Это открытие устраняет пробел между метеорологией и вулканологией. Оно объясняет, как уникальная термодинамика извержения — а именно экстремальная температура и мощные восходящие потоки — создает идеальную лабораторию для накопления электрического заряда.
Тепло обеспечивает углеродное покрытие, а восходящие потоки вызывают высокоскоростные столкновения, необходимые для разделения зарядов. Этот механизм превращает сухой шлейф обломков в массивный, электрически активный «двигатель», способный генерировать самые мощные удары молний на Земле.
Выявив химический «клей», который позволяет пеплу вести себя подобно ледяным кристаллам, ученые теперь могут точнее моделировать электрическое поведение вулканических шлейфов и потенциальные риски, которые они представляют для авиации и окружающей среды.
Заключение
Наличие углеродного напыления на вулканическом пепле объясняет, как сухие обломки горных пород могут…
