[Перевод] Удивительные вулканические молнии

Веселье подобно вспышке молнии, разрывающей черные тучи, и сверкает лишь на миг; бодрость светит, как день, и наполняет душу прочной и постоянной безмятежностью»
— Джозеф Аддисон, «Зритель»

Одним из самых ярких явлений, происходящих в нашей атмосфере, можно назвать молнию. На видео вы можете рассмотреть в замедленном режиме, как за один удар между облаками и поверхностью земли происходит обмен электронами в количестве порядка 100 000 000 000 000 000 000.

Как же это происходит?

Вспомним, что каждый атом Вселенной – включая и атомы нашей атмосферы – состоит из положительно заряженного ядра и кучки отрицательно заряженных электронов. Обычно мы рассматриваем нейтральные атомы, в которых количество электронов соответствует количеству протонов в каждом ядре, но это не всегда так.

Довольно часто атому энергетически предпочтительнее стать ионизированным, то есть подобрать или потерять электрон(ы). Иногда примером нескольких ионов может служить такая вещь, как столовая соль.

Если вы сможете разделить эти ионы, вы создадите разделение зарядов, что приведёт к появлению напряжения. Когда напряжение, известное так же, как разница электрических потенциалов, между двумя участками становится лишком большим – даже если между ними находится всего лишь воздух – он спонтанно становится проводником, и вы видите молнию, представляющую собой быстрый обмен зарядами!

Вам знакома молния, проходящая большое расстояние, когда заряд передаётся от штормовых облаков вниз до самой поверхности Земли. Но, как произошло в случае с извержением вулкана Эйяфьядлайёкюдль, часто вулканические извержения тоже приводят к появлению молний, называемых грязной грозой или вулканическими молниями.

За много лет набралось несколько потрясающих фотографий вулканических молний. У меня любимой, возможно, будет фотография с извержения Эйяфьядлайёкюдля, сделанная с вертолёта.

Исторически было очень трудно ловить моменты вулканических молний, но всё же такие фотографии удалось сделать уже много раз и для разных вулканов.

К примеру, вот фотографии чилийского вулкана Чайтен, сделанные при его извержении в 2008 году – первом за 9000 лет!

Невероятно активный в новейшей истории японский вулкан Сакурадзима, который практически непрерывно извергается с 1955 года. В 1960-м для наблюдения за ним была основана вулканическая обсерватория, и она была свидетелем многократного появления молний, в том числе в 1988 году.

На плёнку запечатлели даже молнии при извержении Везувия в 1944 году!

Хотел бы я в деталях рассказать, как работают вулканические молнии, но, говоря откровенно, мы не знаем этого на 100%. Этот вопрос всё ещё активно изучают.

Но как физик-теоретик, я вполне могу обрисовать для вас общую картину того, что именно, с большой вероятностью, происходит.

Шаг 1 – большая часть атомов нейтральна. Но в присутствии больших объёмов свободной энергии нет никаких проблем с тем, чтобы выбить электроны у некоторых атомов, держащихся за них не очень сильно. В то же самое время эти электроны будут захвачены другими страждущими атомами (шаг 2).

С этой частью проблем нет – ведь мы говорим о вулкане!

Ясур — активный вулкан на острове Танна (Вануату), 2010

При температурах порядка 1500 К действительно не будет недостатка в энергии для того, чтобы выбить электроны у некоторых атомов. Выбитые электроны подхватят другие атомы, что создаст большое количество положительных и отрицательных ионов.

Ключевой и необходимый момент – разделение отрицательных и положительных зарядов (шаг 3). Разделить нужно достаточно много ионов, и развести их на достаточно большое расстояние, чтобы добиться разницы потенциалов, способной вызвать молнию (шаг 4). Если мы сможем это сделать, мы сможем создать вулканические молнии.

Как же нам разделить эти заряды? Вспомним, что у нас есть куча ионизированных атомов, как положительно, так и отрицательно заряженных, в горячей и турбулентной среде. В ней появляются различные элементы, поднимающиеся из земных недр.

Сразу же можно отметить, что эти элементы отличаются друг от друга как по массе, так и по радиусу. Все они должны обладать высокой температурой, и после того, как они вырвались из жерла вулкана, их температура должна падать. А это очень важно для скоростей рассматриваемых атомов/ионов.

В среднем вылетающие из вулкана атомы и ионы сначала двигаются быстрее, а потом остывают и начинают двигаться медленнее.

Само по себе это не очень много значит, но в дело вступают два важных фактора, облегчающие разделение положительно и отрицательно заряженных ионов. Во-первых, эти ионы сильно отличаются по массе!

Чем больше атомная масса элемента, тем медленнее от движется, даже если его температура сравнима с более лёгким элементом! Из этого много чего следует, в том числе то, что у тяжёлых ионов больше инерции и им сложнее менять импульс. Так что эти медленно двигающиеся тяжёлые ионы будут двигаться совсем не так, как быстрые и лёгкие. Более того, это положение будет сохраняться при разных температурах!

Второй очень важный фактор, облегчающий разделение ионов – огромная разница в размерах, и, следовательно, в поперечных сечениях между положительными и отрицательными ионами.

Конечно, у разных элементов и размер отличается. Но ионы ведут себя более радикально. Давайте посмотрим, как именно.

Обычно отрицательно заряженные ионы огромные, а позитивно заряженные – крохотные! Почему? Если поместить больше электронов в атом, они будут отталкиваться друг от друга, и ядро (у которого протонов будет меньше, чем электронов) не сможет удерживать электроны в таком пространстве, присущем нейтральному атому, поэтому атом увеличивается в размерах. С другой стороны, чтобы получить положительно заряженный ион, нужно выбить из атома электроны, и ядро (в котором протонов больше, чем электронов) удерживает электроны более компактно!

Это значит, что сечение отрицательных ионов будет больше сечения положительных, а следовательно, они будут вести себя совершенно по-другому.

Если скомбинировать все указанные факты: ионы разной массы, двигающиеся с разными средними скоростями и обладающие разными сечениями в среде, обладающей температурным градиентом – и вот вам разделение ионов! И что мы в результате получим?

Вулканические молнии! Все фото далее сделаны в Чили, в июне 2011 года. Это одни из самых новых и красивых фотографий вулканических молний. Наслаждайтесь!

В качестве бонуса на Google+ можно посмотреть целый альбом фотографий вулканов и вулканических молний!