Вчених давно заворожують потужні електричні розряди, які супроводжують виверження вулканів. Під час виверження вулкана Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай у 2022 році масштаби цього явища були приголомшливими: всього одне виверження породжувало понад 2600 спалахів блискавок за хвилину, а електрична активність досягала висоти 31 кілометра над рівнем моря.
Хоча ці «вулканічні блискавки» виглядають візуально захоплююче, вони довгий час були серйозною науковою загадкою: як саме в такому середовищі генерується електрика?
Таємниця зарядженого шлейфу
Щоб зрозуміти значимість цього відкриття, потрібно спочатку розібратися, як працює звичайна блискавка. У типовій грозовій хмарі електричні заряди виникають внаслідок зіткнень різних типів частинок:
– Крижані кристали піднімаються висхідними потоками і набувають позитивного заряду.
– Граупель (м’який град) падає вниз, набуваючи негативного заряду.
Поділ цих протилежних зарядів створює електричну напругу, яка зрештою розряджається у вигляді блискавки.
Проте вулканічні шлейфи принципово відрізняються. Замість льоду та граду вони складаються з сухого попелу та уламків гірських порід. Оскільки ці частинки часто зроблені з одного і того ж скельного матеріалу, вченим було важко пояснити, як зіткнення між ними можуть призвести до поділу позитивних та негативних зарядів. У звичайних умовах частинки того самого складу не повинні передавати один одному значний електричний заряд.
Прорив: роль вуглецю
Нове дослідження, опубліковане в журналі Nature Австрійським інститутом науки і технологій, нарешті виявило недостатню ланку. Секрет криється не в самій вулканічній породі, а в мікроскопічному шарі багатих вуглецем молекул, що покривають частинки.
Результати досліджень виявили критичну відмінність:
– Чистий кремнезем: коли вчені тестували ідеально чисті частинки кремнезему, вони майже не виявляли схильності до накопичення заряду при зіткненнях.
– Кремнезем з вуглецевим напиленням: за наявності тонкого шару вуглецю частинки почали ефективно передавати заряди під час зіткнень.
Це забруднення не випадково. Інтенсивного тепла вулканічного виверження достатньо, щоб вступити в реакцію з вуглецевими молекулами, що містяться в навколишньому повітрі, фактично «фарбуючи» частинки попелу тонким провідним вуглецевим шаром.
Чому це важливо
Це відкриття усуває прогалину між метеорологією та вулканологією. Воно пояснює, як унікальна термодинаміка виверження – а саме екстремальна температура та потужні висхідні потоки – створює ідеальну лабораторію для накопичення електричного заряду.
Тепло забезпечує вуглецеве покриття, а висхідні потоки викликають високошвидкісні зіткнення, необхідні розділення зарядів. Цей механізм перетворює сухий шлейф уламків на потужний, електрично активний «двигун», здатний генерувати найпотужніші удари блискавок на Землі.
Виявивши хімічний «клей», який дозволяє попелу вести себе подібно до крижаних кристалів, вчені тепер можуть точніше моделювати електричну поведінку вулканічних шлейфів та потенційні ризики, які вони представляють для авіації та навколишнього середовища.
Висновок
Наявність вуглецевого напилення на вулканічному попелі пояснює, як сухі уламки гірських порід можуть…
