"… Wir Menschen auf der Erde sind zu klein, um unsere Vulkane zu räumen. Deshalb verursachen sie uns so viel Ärger."
Antoine de Saint-Exupery "Der kleine Prinz"
Sie haben wahrscheinlich alle diese Art von Blitz gesehen. Ein interessantes Phänomen! Alle möglichen fantastischen Filme fallen mir sofort ein … "Der Herr der Ringe" zum Beispiel:-)
Ich schlage vor, eine Auswahl dieses Aufruhrs der Natur und der Eingeweide der Erde zu sehen. Fast alle Fotos sind anklickbar.
Der Grund für das Auftreten eines gewöhnlichen Blitzes während eines Gewitters bleibt Gegenstand der Forschung, und die Natur des vulkanischen Blitzes ist noch weniger bekannt. Eine Hypothese legt nahe, dass ausgestoßene Blasen aus Magma oder Vulkanasche elektrisch geladen sind und sich bewegen, um solche getrennten Bereiche zu erzeugen. Vulkanblitze können jedoch auch durch Aufladungskollisionen in Vulkanstaub verursacht werden.
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Wissenschaftler konnten die elektrische Aktivität in einer Wolke aus Vulkanasche mit beispielloser Auflösung aufzeichnen und zwei Arten von Blitzen identifizieren, die während eines Ausbruchs auftreten. Dem Ausbruch des Redout-Vulkans in Alaska ging eine charakteristische seismische Aktivität voraus, die es einem Team von Wissenschaftlern des New Mexico Institute of Mining ermöglichte, im Voraus ein Netzwerk von Miniaturbeobachtungsstationen in der Nähe des Kraters aufzubauen.
Sie waren mit ultrakurzwelligen Funkdetektoren ausgestattet, die Blitzeinschläge in der herausgeworfenen Aschewolke aufzeichneten. Während des Ausbruchs beobachteten Vulkanologen 16 starke Stürme, die ihnen eine große Datenmenge für die anschließende Analyse lieferten.
Als Ergebnis konnten Wissenschaftler feststellen, dass vulkanische Blitze in zwei Arten unterteilt werden: relativ kleine, direkt in der Nähe des Kraters auftretende und mächtige, hoch in einer Aschewolke beobachtete. Laut Wissenschaftlern sind beide unterschiedlicher Natur. Kleine, niedrige Blitze sind das Ergebnis elektrischer Prozesse in Magma, da es in viele kleine Partikel zerfällt. Große Blitze in einer Aschewolke treten auf, wenn die Temperatur unter -20 Grad Celsius fällt und unterkühlte Wassertropfen gefrieren. Ähnliche Prozesse werden durch Entladungen in den Wolken bei Gewittern verursacht. Wissenschaftler haben auch eine Korrelation zwischen der Höhe der Aschewolke und der Stärke und Häufigkeit von Blitzeinschlägen gefunden.
Die wichtigsten physikalischen Prozesse, die für die Elektrifizierung einer Gas-Wärme-Wolke über einem Vulkan verantwortlich sind, werden berücksichtigt. Einige Merkmale der Mechanik des vulkanischen Aerosols und seiner Gravitationstrennung werden analysiert. Es wird gezeigt, dass die wichtigsten unter den vielen physikalischen und physikochemischen Prozessen der Erzeugung und Trennung von Ladungen in einer Vulkanwolke die thermionische Emission und die Thermoelektrizität sind. Die wichtigsten Gesetze zur Elektrifizierung von Aerosolpartikeln während dieser Prozesse werden berechnet. Es wurde festgestellt, dass für die Bildung von Blitzen in einer Vulkanwolke das Ausstoßmaterial eine merkliche Menge einer Feinfraktion (1 bis 30 Mikrometer) enthalten muss. Die Möglichkeiten der Beteiligung anderer physikalischer Prozesse an der Elektrifizierung von Aerosolpartikeln und der gesamten Vulkanwolke werden kurz analysiert. Die Kinetik der Ladungstrennung und die Bedingungen für die Bildung von Blitzen in Vulkanwolken werden ebenfalls berücksichtigt. Die Beziehung zwischen der Intensität elektrischer Prozesse und der Energie und Kraft der Eruption wird gezeigt. Es wird der Schluss gezogen, dass es notwendig ist, die elektrische Aktivität von Wärmewolken zusammen mit einer Untersuchung der Kinetik der Massenentfernung und der Bestimmung der Anfangstemperatur des Ausstoßmaterials zu messen.
Elektrische Phänomene in Aerosolen sind sowohl in ihrer Form als auch in ihrer Intensität sehr unterschiedlich. Die grandiosesten elektrischen Prozesse finden in natürlichen Aerosolen bei großen Volumina (Zehntausende von Kubikmetern) und hohen Spannungen (bis zu Hunderten von Megavolt) statt [1, 2]. Die Blitzfrequenz in Gewitterwolken erreicht manchmal 0,05 - 0,2 s-1. Die höchste Intensität elektrischer Prozesse wird jedoch in trockenen Gaswärmewolken über Vulkanen beobachtet (siehe Bibliographie in [3]). Jede Sekunde treffen große Blitze (einer davon ist in Abb. 1 dargestellt), viel häufiger kleine Funkenentladungen von 8 bis 10 m Länge, intensives und längeres Koronaglühen in Gebieten, die von einer Vulkanwolke bedeckt sind - dies ist eine kurze Liste der Phänomene, die bei Vulkanausbrüchen beobachtet wurden …
Nicht jeder Ausbruch wird von einem Blitz begleitet. Dies bedeutet, dass die Intensität der Elektrifizierung des vulkanischen Aerosols im Wesentlichen von den Eigenschaften des Ausbruchs abhängt. Im Allgemeinen kann die Elektrifizierung von Aerosolpartikeln aus vielen Gründen auftreten, die mit physikalischen und physikochemischen Prozessen in einer Gasschlacken-Wärmewolke verbunden sind [3, 4]. Angesichts der Tatsache, dass die Intensität der Elektrifizierung des vulkanischen Aerosols viel höher ist als die aller anderen bekannten Aerosole [3 - 6], ist es möglich, eine Reihe spezifischer Prozesse zu unterscheiden, die in der Vulkanwolke die Hauptrolle spielen.
- Die wichtigsten Merkmale des vulkanischen Aerosols sind:
- sehr hohes Fieber;
- ein großer Temperaturunterschied zwischen festen Aerosolpartikeln sowohl untereinander als auch in Bezug auf das umgebende Gas;
- starke Nichtstationarität des Systems der in Gas suspendierten Vulkanascheteilchen. Wenn gewöhnliche Aerosole älter als 1 min sind und die berechneten Konzentrationen eines solchen Aerosols na = 103 Teile / cm3 nicht mehr überschreiten können, laufen die Elektrisierungsprozesse des vulkanischen Aerosols bei Konzentrationen n »107 - 109 Teile / cm3 ab und enden, wie nachstehend gezeigt wird, praktisch mit das Ende der zweiten Sekunde der Aerosolexistenz;
- Vulkanaerosol umfasst im Gegensatz zu allen anderen Asche, Lapilli, Schlacke und sogar Vulkanbomben, d.h. das gesamte Massenspektrum von ~ 10-12 bis> 103 g.
In dieser Arbeit werden zwei Mechanismen der Elektrifizierung von Asche-Asche-Vulkanpartikeln betrachtet, nämlich die Thermoemission von Elektronen und die Thermoelektrizität. Die Berechnung des thermionischen Emissionsprozesses ermöglicht es, die minimale Anfangstemperatur Tmin des Ausstoßmaterials zu bestimmen, unterhalb derer die Intensität der thermionischen Emission so gering ist, dass keine merkliche Elektrifizierung mehr möglich ist. Die Wirkdauer des thermionischen Mechanismus wird durch die Abkühlzeit der Partikel von der Anfangstemperatur auf eine feste Tmin bestimmt und kann von ~ 0,1 bis ~ 10 s variieren. Es wird auch gezeigt, dass der thermoelektrische Mechanismus der Elektrisierung von vulkanischen Aerosolpartikeln keine Temperatur- "Schwelle" aufweist, daher ist der Wirkungsbereich dieses Mechanismus in Bezug auf die Temperatur größer als der der thermischen Emission, und das Zeitintervall ist auf die Aerosolverdünnungszeit zurückzuführen und nahezu konstant (~ 1,5 s).
Obwohl der thermoelektrische Elektrifizierungsmechanismus in Bezug auf die Geschwindigkeit der Ladungserzeugung manchmal dem thermoemittierenden Mechanismus unterlegen ist, ist er im Wirkungsbereich viel breiter, da er in allen Aerosolen funktioniert, wenn ein Temperaturunterschied zwischen den Kontaktpartikeln DT ~ ~ 10 K und höher besteht. Es wird auch gezeigt, dass andere in der Literatur diskutierte Elektrifizierungsmechanismen (Piezoelektrizität, balloelektrischer Effekt, Reibung von Partikeln und Gasstrahlen usw.) keine signifikante Rolle bei der Bildung elektrischer Ladungen und Blitze über Vulkanen spielen können, hauptsächlich aufgrund der fehlenden Richtwirkung dieser Prozesse, die für die Akkumulation und Trennung von Ladung im makroskopischen Maßstab notwendig sind. Wir möchten daran erinnern, dass für das Auftreten von Blitzen zwei Prozesse erforderlich sind: die Elektrifizierung von Partikeln im mikroskopischen Maßstab und die Trennung von Ladungen im Maßstab der gesamten Wolke. Der zweite ist länger,Daher tritt ein Blitz viel später als zu Beginn des Auswurfs auf.
Makroskopische Prozesse werden in dieser Arbeit genauer betrachtet. Die Komplexität der Sedimentations- und Abscheidungsprozesse von geladenem Aerosol unter turbulenten Mischbedingungen von Wolken einer Vulkanwolke in unterschiedlichem Maßstab erlaubt keine strenge Berechnung, weshalb wir uns darauf beschränkten, (soweit möglich) Analogien zu Prozessen in Gewitterwolken zu verwenden. Als Ergebnis wurden Kriterien formuliert, deren Erfüllung für das Auftreten von Blitzen unterschiedlicher Größenordnung erforderlich ist.