Новости

May 16, 2023

Экспериментальное получение фульгурита в реалистичных условиях разряда молнии

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 11685 (2023) Цитировать эту статью 247 Доступ 1 Подробности об альтметрических метриках Фульгуриты были зарегистрированы в геологических отложениях по всей Земле.

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 11685 (2023) Цитировать эту статью

247 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Фульгуриты были зарегистрированы в геологических отложениях на протяжении всей истории Земли. Им также отведена потенциальная роль в химии пребиотиков в качестве источника реагентов. Фульгуриты образуются в природе в результате ударов молний из облака в землю. Непредсказуемость в пространстве и времени возникновения молний ограничила исследование как механизмов, так и условий образования фульгуритов. Лабораторный подход может смягчить эти ограничения. Здесь мы описываем экспериментально полученные фульгуриты, образовавшиеся из вулканического пепла Лаахер-Зее. Мы используем источник постоянного тока с триггерно-импульсной установкой в ​​лаборатории высокого напряжения, возможности которой позволяют проводить эксперименты в условиях, близко соответствующих электрическим характеристикам ударов естественных молний. Экспериментально полученные фульгуриты очень напоминают природные фульгуриты как по состоянию, так и по текстуре. Эти экспериментальные исследования дают высокую воспроизводимость характеристик фульгуритов, генерируемых в строго ограниченных условиях, что позволяет сделать некоторые выводы о процессах, связанных с генерацией фульгуритов в природе. Эта работа дает основу для систематической характеристики экспериментальных фульгуритов и характеристики грозовых разрядов.

Фульгуриты, от латинского слова «молния» — fulgur, обычно имеют форму естественных стеклянных трубок неправильной формы, образующихся в результате ударов молнии в песок, почву или скалу. Природные фульгуриты были впервые описаны (в песчаных отложениях) Германом в 17061 году, а самый старый фульгурит, обнаруженный на сегодняшний день, был выдвинут на основе ископаемых каменноугольных пород, перекрывающих вмещающее вещество, как предполагается, пермского возраста2. Фульгуриты, присутствующие на Земле, образуются в результате ударов молний из облаков в землю (в результате гроз или извержений вулканов) или в результате аварий на линиях электропередачи3,4,5. Природные фульгуриты были изучены с точки зрения их морфологического и химического состояния6,7,8,9, включая описание высокотемпературной минерализации10, реконструкцию палеоэкологии11 и оценку доступности химических источников для добиотической химии12,13,14. .

Экспериментально полученные фульгуриты также были кратко описаны в некоторых предварительных технико-экономических обоснованиях15,16,17,18,19,20. Эти ценные новаторские научные исследования, как правило, не подчинялись стандартным протоколам сообщества исследователей естественных молний и, как правило, лишены воспроизводимости и точности систематического подхода. Причины обычно кроются в применяемых экспериментальных технологиях. Ток, генерируемый батареей Лейденской банки (около 20–60 кВ), был, например, недостаточным для создания фульгуритов, очень похожих на природные15,16. Последующие экспериментальные установки отсутствовали индуктивность17, и/или они производили только компонент первого возврата (компонент разряда молнии, жизненно важный для разрушения напряженности диэлектрического поля исходного материала)18,21. Импульс, генерируемый ими с использованием синусоидальной формы волны, способствует диэлектрическому пробою образца, в конечном итоге вызывая плавление, но этого недостаточно для воспроизведения типичной морфологии фульгуритов19. Ток, создаваемый имитатором электроплавления (50 А) в течение 200–300 мс, использованным Кастро и др.20, был значительно ниже тока естественной молнии (~30 кА для отрицательной полярности и ~300 кА для вспышек положительной полярности22).

Экспериментальная установка, используемая в нашем исследовании (источник постоянного тока с триггерным импульсом), была спроектирована и изготовлена ​​для обеспечения соответствия рекомендациям сообщества исследователей молний по исследованиям ударов молнии (например, формы сигналов IEC 6230523) и расположена в Университете Бундесвера (UniBw). , Мюнхен, Германия. Основным преимуществом этой установки является то, что эти эксперименты можно легко и очень точно воспроизвести.