Причина возникновения обычной молнии при грозе остается предметом исследований, а природа вулканической молнии еще менее понятна. Одна из гипотез предполагает, что выбрасываемые пузыри магмы или вулканический пепел несут электрический заряд и при их движении возникают такие разделенные области. Однако вулканические молнии могут быть вызваны и наводящими заряд столкновениями в вулканической пыли.
Ученым удалось зафиксировать с беспрецедентным разрешением электрическую активность в облаке вулканического пепла и выявить два типа молний, возникающих в ходе извержения. Извержению расположенного на Аляске вулкана Редаут предшествовала характерная сейсмическая активность, что позволило группе ученых из Института горного дела Нью-Мехико успеть заранее установить поблизости от кратера сеть миниатюрных наблюдательных станций.
Они были обеспечены детекторами ультракоротковолнового радиоизлучения, которые фиксировали разряды молний в облаке пепла, который выбрасывается. Во время извержения вулканологи наблюдали 16 мощных штормов, что обеспечило их большим количеством данных для последующего анализа.
В результате ученым удалось обнаружить, что вулканические молнии делятся на два типа: сравнительно небольшие, возникают непосредственно вблизи кратера, и мощные, наблюдаемые высоко в облаке пепла. По мнению ученых, те и другие имеют разную природу. Небольшие низкие молнии являются результатом электрических процессов в магме при ее расчленении на множество мелких частиц. Большие молнии в облаке пепла возникают при падении температуры ниже -20 градусов Цельсия, когда замерзают переохлажденные капли воды. Аналогичные процессы приводят разрядами в облаках во время гроз. Ученые также обнаружили корреляцию между высотой облака пепла и мощностью и частотой возникающих молний.
Рассмотрены основные физические процессы, ответственные за электризацию газопепловой тучи над вулканом. Анализируются некоторые особенности механики вулканического аэрозоля и его гравитационной сепарации. Показано, что наиболее важными среди множества физических и физико-химических процессов возникновения и разделения зарядов в вулканическом облаке являются термоэлектронная эмиссия и термоэлектричество. Рассчитаны основные закономерности электризации аэрозольных частиц при этих процессах. Установлено, что для образования молний в вулканической туче материал выброса должен в заметном количестве содержать мелкодисперсную фракцию (1-30 мкм). Коротко проанализированы возможности участия других физических процессов в электризации аэрозольных частиц и вулканического облака в целом. Рассмотрены также кинетика разделения зарядов и условия образования молний в вулканических тучах. Показана связь интенсивности электрических процессов с энергией и мощностью извержения. Сделан вывод о необходимости комплексного характера измерений электрической активности гаэопепловых туч вместе с исследованием кинетики выноса массы и определением начальной температуры материала выброса.
Электрические явления в аэрозолях весьма разнообразны как по виду, так и по интенсивности. Наиболее грандиозно протекают электрические процессы в природных аэрозолях при больших объемах (исчисляемых десятками и сотнями тысяч кубометров) и высоких напряжениях (до сотен мегавольт). Частота молний в грозовых тучах иногда достигает 0,05-0,2 с-1. Однако самая высокая интенсивность электрических процессов наблюдается в сухих газопепловых тучах над вулканами. Ежесекундные крупные молнии (одна из которых показана на рис. 1), гораздо более частые мелкие искровые разряды длиной 8-10 м, интенсивное и длительное коронное свечение в районах, накрытых вулканической тучей, – вот краткий перечень тех явлений, которые наблюдались при вулканических извержениях.
Далеко не всякое извержение сопровождается молниями. Это значит, что интенсивность электризации вулканического аэрозоля существенным образом зависит от характеристик извержения. Вообще говоря, электризация аэрозольных частиц может происходить по многим причинам, связанным с физическими и физико-химическими процессами в газошлакопепловой туче. Однако ввиду того, что интенсивность электризации вулканического аэрозоля значительно выше, чем всех других известных аэрозолей, можно, вероятно, выделить ряд специфических процессов, которые играют основную роль именно в вулканическом облаке.
Наиболее существенными особенностями вулканического аэрозоля являются:
- очень высокая температура;
большая разница в температуре твердых частиц аэрозоля как между собой, так и по отношению к окружающему газу;
сильная нестационарность системы частиц вулканического пепла, взвешенных в газе. Если обычные аэрозоли имеют возраст больше 1 мин и счетные концентрации такого аэрозоля уже не могут превышать na = 103 част/см3, то процессы электризации вулканического аэрозоля протекают при концентрациях n больше 107 – 109 част/см3 и, как будет показано ниже, практически заканчиваются к концу второй секунды существования аэрозоля;
- вулканический аэрозоль, в отличие от всех прочих, включает в себя пепел, лапилли, шлак и даже вулканические бомбы, т.е. весь спектр масс от ~ 10-12 до > 103 г.
В данной работе рассмотрены два механизма электризации шлакопепловых вулканических частиц, а именно — термоэмиссия электронов и термоэлектричество. Расчет процесса термоэлектронной эмиссии позволяет определить минимальную начальную температуру Tmin материала выброса, ниже которой интенсивность термоэмиссии настолько мала, что уже не в состоянии обеспечить заметную электризацию. Длительность действия термоэмиссионного механизма определяется временем остывания частиц от начальной температуры до фиксированной Тmin и может варьироваться от ~0,1 до ~10 с. Показано также, что термоэлектрический механизм электризации частиц вулканического аэрозоля не имеет температурного «порога», поэтому интервал действия этого механизма по температуре больше, чем термоэмиссионного, а временной интервал обусловлен временем разбавления аэрозоля и почти постоянен (~1,5 с).
Хотя по скорости генерации заряда термоэлектрический механизм электризации иногда уступает термоэмиссионному, но по диапазону действия он значительно шире, так как функционирует в любых аэрозолях, если есть разность температур соприкасающихся частиц D T ~ ~ 10 К и выше. Показано также, что другие механизмы электризации, обсуждавшиеся в литературе (пьезоэлектричество, баллоэлектрический эффект, трение частиц и газовых струй и т.д.), не могут играть заметной роли в образовании электрического заряда и молний над вулканами, прежде всего по причине отсутствия направленности этих процессов, необходимой для накопления и разделения заряда в макроскопическом масштабе. Напомним, что для возникновения молний необходимы два процесса: электризация частиц в микроскопическом масштабе и разделение зарядов в масштабе всего облака. Второй из них более длительный, поэтому молнии возникают намного позже начала выброса.
Макроскопические процессы рассмотрены в настоящей работе более конспективно. Сложность процессов седиментации и сепарирования заряженного аэрозоля в условиях турбулентного перемешивания разномасштабных клубов вулканического облака не позволяет провести строгий расчет, поэтому мы ограничились привлечением (там, где это возможно) аналогии с процессами в грозовых облаках. В результате сформулированы критерии, выполнение которых необходимо для возникновения молний разного масштаба.
Источник http://masterok.livejournal.com
