"… Noi umani sulla Terra siamo troppo piccoli per ripulire i nostri vulcani. Ecco perché ci stanno causando così tanti problemi."
Antoine de Saint-Exupery "Il piccolo principe"
Probabilmente avete visto tutti questo tipo di fulmini. Un fenomeno interessante! Mi vengono subito in mente tutti i tipi di film fantastici … "Il Signore degli Anelli" per esempio:-)
Propongo di vedere una selezione di questo tripudio di natura e le viscere della terra. Quasi tutte le foto sono cliccabili.
La ragione per il verificarsi di fulmini ordinari durante un temporale rimane oggetto di ricerca e la natura dei fulmini vulcanici è ancora meno compresa. Un'ipotesi suggerisce che le bolle espulse di magma o cenere vulcanica siano caricate elettricamente e che si muovano per creare tali aree separate. Tuttavia, i fulmini vulcanici possono anche essere causati dalla carica di collisioni nella polvere vulcanica.
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Gli scienziati sono stati in grado di registrare l'attività elettrica in una nuvola di cenere vulcanica con una risoluzione senza precedenti e identificare due tipi di fulmini che si verificano durante un'eruzione. L'eruzione del vulcano Redout situato in Alaska è stata preceduta da una caratteristica attività sismica, che ha permesso a un team di scienziati del New Mexico Institute of Mining di avere il tempo di stabilire in anticipo una rete di stazioni di osservazione in miniatura vicino al cratere.
Sono stati forniti di rilevatori radio a onde ultra corte, che hanno registrato i fulmini nella nube di cenere che è stata lanciata. Durante l'eruzione, i vulcanologi hanno osservato 16 potenti tempeste, che hanno fornito loro una grande quantità di dati per la successiva analisi.
Di conseguenza, gli scienziati sono stati in grado di scoprire che i fulmini vulcanici sono divisi in due tipi: relativamente piccoli, che si verificano direttamente vicino al cratere, e potenti, osservati in alto in una nuvola di cenere. Secondo gli scienziati, entrambi sono di natura diversa. Piccoli fulmini bassi sono il risultato di processi elettrici nel magma mentre si scompone in molte piccole particelle. Grandi fulmini in una nuvola di cenere si verificano quando la temperatura scende sotto i -20 gradi Celsius, quando le goccioline d'acqua super raffreddate si congelano. Processi simili sono causati da scariche tra le nuvole durante i temporali. Gli scienziati hanno anche trovato una correlazione tra l'altezza della nube di cenere e la potenza e la frequenza dei fulmini.
Vengono considerati i principali processi fisici responsabili dell'elettrificazione di una nube di gas-calore sopra un vulcano. Vengono analizzate alcune caratteristiche della meccanica dell'aerosol vulcanico e della sua separazione gravitazionale. È dimostrato che i più importanti tra i molti processi fisici e fisico-chimici della generazione e separazione delle cariche in una nuvola vulcanica sono l'emissione termoionica e la termoelettricità. Vengono calcolate le principali leggi che regolano l'elettrificazione delle particelle di aerosol durante questi processi. Si è scoperto che per la formazione di fulmini in una nuvola vulcanica, il materiale di espulsione deve contenere una notevole quantità di una frazione fine (1-30 micron). Vengono brevemente analizzate le possibilità di partecipazione di altri processi fisici all'elettrificazione delle particelle di aerosol e della nube vulcanica nel suo insieme. Vengono inoltre considerate la cinetica di separazione delle cariche e le condizioni per la formazione di fulmini nelle nuvole vulcaniche. Viene mostrata la relazione tra l'intensità dei processi elettrici e l'energia e la potenza dell'eruzione. Si conclude che è necessario misurare l'attività elettrica delle nubi di calore insieme a uno studio della cinetica di rimozione di massa e alla determinazione della temperatura iniziale del materiale di espulsione.
I fenomeni elettrici negli aerosol sono molto diversi sia nella forma che nell'intensità. I processi elettrici più grandiosi avvengono in aerosol naturali a grandi volumi (stimati in decine e centinaia di migliaia di metri cubi) e ad alte tensioni (fino a centinaia di megavolt) [1, 2]. La frequenza dei fulmini nelle nuvole temporalesche a volte raggiunge 0,05 - 0,2 s-1. Tuttavia, la più alta intensità dei processi elettrici si osserva nelle nubi di calore a gas secco sopra i vulcani (vedi bibliografia in [3]). Grandi fulmini ogni secondo (uno dei quali è mostrato in Fig.1), scariche di piccole scintille molto più frequenti lunghe 8-10 m, bagliore corona intenso e prolungato nelle aree coperte da una nuvola vulcanica - questo è un breve elenco di quei fenomeni che sono stati osservati durante le eruzioni vulcaniche …
Non tutte le eruzioni sono accompagnate da fulmini. Ciò significa che l'intensità dell'elettrificazione dell'aerosol vulcanico dipende essenzialmente dalle caratteristiche dell'eruzione. In generale, l'elettrificazione delle particelle di aerosol può avvenire per molte ragioni associate a processi fisici e fisico-chimici in una nube di gas-scorie-calore [3, 4]. Tuttavia, in considerazione del fatto che l'intensità di elettrificazione dell'aerosol vulcanico è molto superiore a quella di tutti gli altri aerosol conosciuti [3 - 6], è possibile distinguere una serie di processi specifici che svolgono il ruolo principale nella nube vulcanica.
- Le caratteristiche più significative dell'aerosol vulcanico sono:
- febbre molto alta;
- una grande differenza nella temperatura delle particelle di aerosol solide sia tra loro che in relazione al gas circostante;
- forte non stazionarietà del sistema di particelle di cenere vulcanica sospese nel gas. Se gli aerosol ordinari sono più vecchi di 1 minuto e le concentrazioni calcolate di tale aerosol non possono più superare na = 103 parti / cm3, i processi di elettrizzazione dell'aerosol vulcanico procedono alle concentrazioni n »107-109 parti / cm3 e, come verrà mostrato di seguito, praticamente terminano per la fine del secondo secondo dell'esistenza dell'aerosol;
- l'aerosol vulcanico, a differenza di tutti gli altri, include cenere, lapilli, scorie e persino bombe vulcaniche, ad es. l'intero spettro di massa da ~ 10-12 a> 103 g.
In questo lavoro vengono considerati due meccanismi di elettrificazione delle particelle vulcaniche di cenere-cenere, ovvero la termoemissione di elettroni e la termoelettricità. Il calcolo del processo di emissione termoionica permette di determinare la temperatura minima iniziale Tmin del materiale di espulsione, al di sotto della quale l'intensità dell'emissione termoionica è così bassa da non essere più in grado di fornire un'elettrificazione evidente. La durata dell'azione del meccanismo termoionico è determinata dal tempo di raffreddamento delle particelle dalla temperatura iniziale a una Tmin fissa e può variare da ~ 0,1 a ~ 10 s. È stato inoltre dimostrato che il meccanismo termoelettrico di elettrizzazione delle particelle di aerosol vulcanico non ha una "soglia" di temperatura, quindi il raggio di azione di questo meccanismo in termini di temperatura è maggiore di quello di emissione termica, e l'intervallo di tempo è dovuto al tempo di diluizione dell'aerosol ed è pressoché costante (~ 1,5 s).
Sebbene il meccanismo termoelettrico di elettrificazione sia talvolta inferiore a quello di termoemissione in termini di velocità di generazione di carica, è molto più ampio nel raggio d'azione, poiché funziona in qualsiasi aerosol se c'è una differenza di temperatura delle particelle a contatto DT ~ ~ 10 K e superiore. È stato anche dimostrato che altri meccanismi di elettrificazione discussi in letteratura (piezoelettricità, effetto balloelettrico, attrito di particelle e getti di gas, ecc.) Non possono svolgere un ruolo significativo nella formazione di cariche elettriche e fulmini sui vulcani, principalmente a causa della mancanza di direzionalità di questi processi necessari per l'accumulo e la separazione della carica su scala macroscopica. Ricordiamo che due processi sono necessari per il verificarsi dei fulmini: l'elettrificazione delle particelle su scala microscopica e la separazione delle cariche sulla scala dell'intera nuvola. Il secondo è più lungo,pertanto, il fulmine si verifica molto più tardi dell'inizio dell'eiezione.
I processi macroscopici sono considerati in questo lavoro in modo più conciso. La complessità dei processi di sedimentazione e separazione dell'aerosol carico in condizioni di miscelazione turbolenta di nubi di diversa scala di una nube vulcanica non consente un calcolo rigoroso, quindi ci siamo limitati a utilizzare (ove possibile) analogie con i processi in nubi temporalesche. Di conseguenza, sono stati formulati i criteri, il cui soddisfacimento è necessario per il verificarsi di fulmini di diverse scale.
