Это одно из самых красивых (и ужасающих) зрелищ в мире. Но чем это вызвано?
«Если вы попали на поле для гольфа во время грозы и боитесь молнии, поднимите айрон 1. Даже Бог не может попасть в 1-айрон». - Ли Тревино
Здесь, на Земле, природа демонстрирует всевозможные разрушительные проявления силы. Природные явления, от ураганов до торнадо, лавин, цунами и землетрясений, обычно способны опустошать целые города. Но, пожалуй, нет более завораживающей разрушительной силы, чем вулкан.
Из глубины мантии Земли жидкая горная порода, нагретая до тысяч градусов, поднимается вверх к земной коре и в некоторых избранных слабых местах может прорваться на поверхность. Когда это происходит, не только выходит лава, но часто сопровождается большим количеством сажи и пепла.
И иногда, если рецепт верный, молния тоже.
Мы очень многого не понимаем даже в обычных молниях, возникающих во время грозы, не говоря уже о вулканических молниях. Тем не менее, только потому, что мы не знаем об этом всего, не означает, что мы не можем разумно говорить об этом пугающе красивом явлении и говорить о физике, которую мы знаем.
Так когда же наиболее вероятно возникновение вулканических молний и - насколько нам известно - что их вызывает?
Во-первых, это чаще всего происходит вокруг вулканов с большими шлейфами пепла, и было тщательно зарегистрировано вокруг ряда недавних извержений вулканов, включая вулканы Эйяфьятлайокудль в Исландии, Сакурадзима в Японии и вулканы Пуйеуэ и Чайтен в Чили.. Но вы, возможно, не знаете, что это явление было не только зафиксировано во время последнего извержения Везувия в 1944 году, но и было точно описано почти 2000 лет назад, когда оно произошло в 79 году!
Каждый разряд молнии - это обмен примерно 10^20 электронами, или - потому что я хочу, чтобы вы увидели это записанным - 100, 000, 000, 000, 000, 000, 000заряженных частиц.
Вы можете привыкнуть к тому, что атомы нейтральны - с равным количеством электронов, так как в их ядрах есть протоны - но тепло и трение позволяют атомам удивительно легко приобретать или терять электроны и превращаться в ионы.
При температурах, которых достигают вулканы, атому энергетически выгодно становиться ионизированным, где он либо захватывает, либо теряет электрон (или два, или три). Нам, конечно, не нужно впадать в эти крайности, чтобы найти ионы; что-то столь же простое, как поваренная соль (или трение шерстяных носков о ковер), является примером.
Теперь, если вы можете отделить эти ионы друг от друга, вы создадите разделение зарядов, которое создаст Напряжение. Когда напряжение (также известное как разность электрических потенциалов) между двумя областями становится слишком большим - даже если воздух - единственное, что разделяет их - оно спонтанно становится проводящим, и этот быстрый обмен зарядами и есть то, что вы видите как удар молнии!
В общей сложности за последние пару столетий произошло более 150 различных извержений, во время которых были зарегистрированы вулканические молнии.
Итак, учитывая все это, как это происходит? Давайте проведем вас шаг за шагом.
1.) Изобилие положительных и отрицательных ионов. Сочетание тепла (около 1500 Кельвинов для типичного вулкана) и разнообразный состав того, что раскопал вулкан, гарантирует, что значительное меньшинство выходящих частиц не является нейтральным. Электроны могут относительно легко отрываться от одних молекул и поглощаться другими; для отдельных частиц пепла, которые выходят, многие из них являются положительно заряженными ионами, а многие - отрицательно заряженными ионами.
В дополнение к тому, что их заряды отличаются друг от друга, они также имеют разные молекулярные (или атомные) массы друг от друга, а также разные физические размеры (или сечения). Это чрезвычайно важно, потому что позволяет выполнить шаг 2.
2.) Мы должны отделить отрицательные заряды от положительных Нейтральные атомы имеют разные физические размеры друг от друга, а у заряженных атомов (и молекул) эта разница еще более преувеличена. Существуют также значительные различия в массе между различными атомами и молекулами, что важно, потому что передача одинакового количества энергии более легкой частице означает, что она будет двигаться быстрее. И, наконец, существует также температурный градиент, когда только что вышедшие частицы имеют более высокую температуру, чем те, которые некоторое время находились в атмосфере.
Эта комбинация разных температур и разных масс придает этим ионам разные скорости. А в турбулентной среде более мелкие и легкие частицы обычно легче переносятся на большие расстояния, что облегчает разделение зарядов на большие расстояния.
3.) При достаточно большой разнице напряжений возникает электрический разряд, который является ударом молнии!И это общий процесс работы вулканической молнии.
Соедините эти вещи вместе: ионы с разной массой (и зарядом), движущиеся с разной средней скоростью и с разным поперечным сечением в среде с температурным градиентом, и вот вам рецепт разделения зарядов! Получите достаточно большой, и что это вам даст?
Вулканическая молния
Есть еще ряд деталей, которые необходимо уточнить, чтобы узнать, как это происходит при извержениях вулканов, почему иногда это происходит при фактическом отсутствии облаков пепла и почему некоторые вулканы не проявляются есть вообще. Но эта основная картина неопровержима и дала нам несколько захватывающих зрелищ, которыми может поделиться весь мир.
Более впечатляющие изображения - подобные этим - обычно представляют собой замедленные изображения, на которых в одном кадре показано множество ударов молнии, происходящих в течение нескольких минут или даже часов.
И это физика вулканических молний, а также несколько удивительных изображений. Надеюсь, вам понравилось!
Есть вопрос, комментарий или желание высказаться? Присоединяйтесь к нам на форуме Starts With A Bang в Scienceblogs и напишите нам!