Kad se pravi uvjeti kombiniraju odjednom, u jasenima pepela vulkanske erupcije mogu se pronaći ogromne električne struje. Ispuštanja stvaraju jedinstven i zadivljujući fenomen vulkanske munje. Bonus slike: Ivan Alvarado / Reuters.

Kako vulkani stvaraju munje?

Znanost o vulkanskoj rasvjeti gotovo je spektakularna kao i sama pojava.

Kada vruća, rastopljena stijena gurne svoj put kroz Zemljinu koru i izađe na površinu, to često rezultira erupcijom vulkana. Te se erupcije ponekad javljaju usporenim i stalnim tokovima, ali često se pokazuju u ogromnim naletima aktivnosti. Kada se dogodi ovaj posljednji slučaj, velika količina pepela, prašine, stijena, isparljivih plinova i lave protera se u vrlo kratkom vremenskom razdoblju. Iako o njima možemo razmišljati kao o glavnim osobinama vulkana, često postoji veličanstven vizualni prizor koji dolazi uz njih: vulkanske munje. Iako neće svaka erupcija stvoriti ovu zapanjujuću svjetlosnu emisiju, ljudi su je promatrali i zabilježili bezbroj generacija. Sada, s našim naprednim razumijevanjem fizike i fizikalnih znanosti, konačno razumijemo kako se proizvodi.

2015. godine, čileanski vulkan Calbuco prvi je put eruptirao u 42 godine. Iako je vid vulkanske munje možda lijep, sama erupcija uzrokuje značajnu štetu i široku razaranje. Bonus slike: Jose Mancilla / LatinContent / Getty Images.

Magma, podzemni prethodnik lave, može se oblikovati na različite načine. Džepovi magme postoje duboko u Zemljinom plaštu, koji potiču duboko kao Zemljina tekuća vanjska jezgra, ali također su stvoreni iz kore koja klizi po vrhu plašta. Bilo kako bilo, kada se tekuća stijena, zagrijana na tisuće stupnjeva, probije prema gore, može isplivati ​​na površinu u nekoliko odabranih slabih točaka. Kada se to dogodi, ne nastaje samo lava, već je često praćena velikim količinama čađe i pepela. I povremeno, ako je recept baš pravi, i munja.

Kombinacija oblaka lave, topline i pepela pouzdano je dobar recept za vulkanske munje, iako fizika njegova rada zahtijeva spuštanje na molekularnu ili čak subatomsku razinu. Kreditna slika: Marco Restivo / Demotix / Corbis.

Čini se da se vulkanska munja najčešće javlja oko vulkana s velikim pepelom, osobito tijekom aktivnih faza erupcije, gdje tekuća, rastopljena lava stvara najveće temperaturne gradijente. Fenomen munje izvrsno je zabilježen oko niza nedavnih vulkanskih erupcija, uključujući islandsku Eyjafjallajökull, japansku Sakurajima, italijansku Mt. Etna i čileanski vulkani Puyehue, Calbuco i Chaiten. Ali ono što možda ne znate je da ova pojava nije zarobljena samo tijekom planine. Posljednja erupcija Vesuvija 1944. godine, ali precizno je opisana prije gotovo 2000 godina, kada je izbila sve do 79. godine!

Erupcija Chaitena 2008. stvorila je veliku količinu vulkanske munje, ali to nije nova ili rijetka pojava. Vulkanske munje dokumentirane su fotografski tijekom mnogih desetljeća, a povijesno su zabilježene tisućljećima. Kreditna slika: Ratno zrakoplovstvo SAD-a (umetak), Carlos Gutierrez (glavni).

Svaki udar munje je razmjena nekih 1020 elektrona ili - u dugoj formi - 100.000.000.000.000.000.000 nabijenih čestica. Možda ste navikli da su atomi neutralni, s jednakim brojem elektrona jer u njihovim jezgrama ima protona, ali toplina i trenje atomi iznenađujuće lako mogu dobiti ili izgubiti, pretvarajući ih u ione. Pri temperaturama koje vulkani postižu, energetski je povoljno da atom postane ioniziran, gdje se ili pokupi ili izgubi elektron (ili dva, ili tri). Svakako ne trebamo ići u te krajnosti da bismo pronašli ione; nešto jednostavno poput trljanja čarapa od vune uz tepih primjer je prijenosa elektrona i stvaranja iona.

Kad se dva različita materijala, poput tkanine i plastike, trljaju zajedno, naboj se može prenijeti s jednog na drugi, stvarajući neto naboj na oba predmeta. U ovom slučaju dijete se puni, a efekti statičkog elektriciteta mogu se primijetiti u njegovoj kosi (i kosi njegove sjene). Naplata za slajd nije vidljiva. Kreditna slika: Ken Bosma / flickr.

Ako ove ione možete razdvojiti jedan od drugog, stvarate razdvajanje naboja, što stvara napon. Kad napon između dviju regija postane prevelik - čak i ako je zrak jedina stvar između njih, on spontano postaje provodan, stvarajući raspad materijala između tih udaljenih područja. Nastaje razmjena naboja koja se događa vrlo brzo, i to vidite kao udar munje! Sve u svemu, tijekom posljednjih nekoliko stoljeća zabilježeno je više od 150 različitih erupcija u kojima su zabilježene vulkanske munje.

Jedan od mnogih primjera fotografskih vulkanskih munja uhvatio je prije samo nekoliko godina Marco Fulle, helikopterom, tijekom erupcije noću. Kreditna slika: Marco Fulle / Astronomski opservatorij iz Trsta.

Koliko god ova pojava izgledala komplicirano i koliko je teško predvidjeti u kojim se okolnostima neće dogoditi, a u kojima se neće dogoditi, doista su potrebna samo tri koraka da biste se dogodili. Evo nauke o tome kako vulkani stvaraju munje:

Lako se mogu stvoriti ioni različitih vrsta i naboja pri visokim temperaturama i kada sve čestice različitih sastava međusobno djeluju. Erupcija vulkana je idealno okruženje za to. Kreditna slika: Ken Costello.

1.) Počnite s obiljem pozitivnih i negativnih iona. Kombinacija topline (od tipičnih vulkanskih temperatura od 1500 K) i raznolik sastav onoga što je otkopano vulkanom osiguravaju da značajan udio čestica izađe nije neutralan. Elektroni se iz nekih molekula mogu relativno lako potisnuti i drugi ih apsorbirati; za pojedine čestice pepela koje izlaze, mnogi su pozitivno nabijeni ioni, a mnogi negativno nabijeni ioni. Što je vulkan topliji i što je erupcija jača, to je veća vjerojatnost da ćete vidjeti vulkanske munje.

U gornjem videu primijetite da se vulkanska munja pojavljuje tek kad materijal s najtoplijom temperaturom - stvarna, tekuća lava - postane vidljiv u dnu pepela. Osim što se znakovi naboja međusobno razlikuju, oni također moraju imati različitu molekularnu (ili atomsku) težinu jedni od drugih, kao i različite fizičke veličine (ili poprečni presjek). To je izuzetno važno jer omogućuje drugi bitan korak.

Radiji nekih elemenata kao neutralni atomi, a iz tih atoma izvedeni su kationi (crveni) i anioni (plavi). Radije su dane u pikometrima. Kreditna slika: Wikimedia Commons korisnik Popnose.

2.) Odvojite negativne naboje od pozitivnih. Neutralni atomi imaju različite fizičke veličine jedni od drugih, a nabijeni atomi (i molekule) tu su razliku još više preuveličali. Tu su i značajne razlike u masi između različitih atoma i molekula, što je važno jer davanje iste količine energije lakšoj čestici znači da se ona brzo kreće. I na kraju, tu je i gradijent temperature, gdje čestice koje tek izlaze imaju više temperature od onih koje su neko vrijeme u atmosferi.

Gustoća broja nasuprot raspodjeli brzina za čestice različitih temperatura (lijevo) i različite mase (desno). Bonus slike: Phong Dao i Julie Quattrocchi / UC Davis ChemWiki.

Ta kombinacija različitih temperatura i različitih masa daju tim ionima različite brzine jedna od druge. A kada imate turbulentno okruženje, manje i lakše čestice obično se lakše prevoze s većim udaljenostima, što olakšava razdvajanje naboja od velikih udaljenosti.

Korak po korak, ilustracija kako djeluje fizika vulkanske munje. Tek nakon što su svi prethodni koraci uzastopno dovršeni, može doći do udara groma. Kreditna slika: Brentwood Higman / E. Siegel.

3.) Dovoljno velika količina odvojenih naboja teći će samostalno, stvarajući munje. Odvojeni, veliki broj naboja stvara razlike u naponu. Ako imate dovoljno veliku razliku u prostoru koji sadrži bilo koji materijal, čak i ako je to izolacijski ili izuzetno rijetki materijal poput zraka, dobit ćete električni pražnjenje, što je udar groma!

Jedan udar udara munje često se događa između dviju nepovezanih točaka, budući da se ogroman broj elektrona razmjenjuje preko medija koji može biti jednako naporan kao i slobodni zrak. Ovaj štrajk na japansku Sakurajima jedan je od najsjajnijih pojedinačnih napada. Kreditna slika: Asahi Shimbun / Getty Images.

To je to! To je opći proces koji funkcionira iza vulkanske munje. Kombinirajte ove stvari: različite mase (i naboje) ione koji se kreću različitim prosječnim brzinama s različitim presjecima u okruženju s temperaturnim gradijentom, a tu je i vaš recept za razdvajanje naboja. Osigurajte dovoljno veliko razdvajanje naboja na pravoj udaljenosti i to će vam zadati udar munje. To je izvor vulkanske munje.

Vulkan Puyehue u Čileu, koji je na ovoj slici eruptiran prije nekoliko godina, prijelomni je primjer vulkanske oluje gdje je u relativno kratkom vremenu došlo do izvanrednog broja udara. Kreditna slika: Francisco Negroni / AP.

Uvijek se moraju ispuniti brojni detalji koji poboljšavaju naše razumijevanje kako se to točno događa u svakoj pojedinačnoj vulkanskoj erupciji. Neriješena pitanja uključuju:

  • zašto se to ponekad događa u virtualnoj odsutnosti oblaka pepela,
  • zašto će se mnogi udari dogoditi rafalima, dok se drugi događaju na relativno konstantnim frekvencijama,
  • i zašto neki vulkani uopšte ne izgledaju da je imaju.

Ali ta je osnovna slika neoboriva i dala nam je nekoliko spektakularnih znamenitosti za cijeli svijet u kojima možemo dijeliti. Događaji vulkanske munje mogu biti jednokratni slučajevi, ili udari mogu trajati minutima, satima ili čak više dana.

Kad se naprave vremenske fotografije erupcijskog vulkana, često je moguće uhvatiti mnoge neovisne udare munje što proizlaze iz jednog oblaka vulkanskog pepela. Kreditna slika: Carlos Gutierrez / Reuters.

Korištenjem fotografskih tehnika slaganja ili vremenskog odmaka, često možete vidjeti više udaraca na jednoj kompozitnoj fotografiji, pri čemu mnoge sadrže desetke ili čak stotine pojedinačnih gromobrana. Kako se naboji kreću naokolo, svaki je pojedinačni udar različit, ali fizika je univerzalna. Potrebno je samo toplina, ionizacija, raznolikost molekula i transport, a kada se dovoljno naboja razdvoji na pravoj udaljenosti, dolazi do električnog pražnjenja. Tako stvarate vulkanske munje, a spektakularni rezultat je za razliku od bilo čega drugog na svijetu.

Starts With A Bang je sada na Forbesu, a objavljen je na Mediumu zahvaljujući našim pristalicama Patreona. Ethan je autor dvije knjige, Beyond The Galaxy i Treknology: The Science of Star Trek od Tricorders do Warp Drive-a.