Przez dziesięciolecia naukowcy zastanawiali się nad dokładnym mechanizmem wyładowań wulkanicznych — spektakularnymi wyładowaniami elektrycznymi obserwowanymi w pióropuszach popiołu wybuchających wulkanów. Teraz fizycy wierzą, że rozwiązali tę zagadkę: klucz nie leży w samym popiele, ale w maleńkich cząsteczkach zawierających węgiel, które pokrywają jego cząstki.
Efekt tryboelektryczny i popiół wulkaniczny
Pioruny wulkaniczne powstają w wyniku efektu tryboelektrycznego, zjawiska, w którym materiały uzyskują ładunek elektryczny podczas pocierania o siebie. W chmurach pyłu wulkanicznego niezliczone cząsteczki krzemionki zderzają się i wymieniają elektrony, tworząc obszary o ładunku dodatnim i ujemnym. Błyskawica pojawia się, gdy separacja staje się na tyle silna, że powoduje iskrę w powietrzu.
Przez długi czas pozostawało tajemnicą, dlaczego niektóre cząstki stają się naładowane dodatnio, a inne ujemnie. Biorąc pod uwagę, że oba były wykonane z dwutlenku krzemu, ta asymetria wydawała się niewytłumaczalna. Teorie sięgały od wilgotności po chropowatość powierzchni, ale żadna nie była w stanie w pełni wyjaśnić tego zachowania.
Przełom w walce z zanieczyszczeniem węglem
Naukowcy z Instytutu Nauki i Technologii Austrii odkryli, że obecność lub brak cząsteczek zawierających węgiel na powierzchni cząstek determinuje kierunek ładunku. Po dokładnym oczyszczeniu próbek za pomocą ultradźwięków, odwrócili polaryzację ładowania – czysta cząstka została naładowana przeciwnie do cząstki pokrytej węglem.
„Zaobserwowaliśmy, że ten efekt przewyższał wszystko inne” – wyjaśnia Galen Grosjean, główny badacz. Nawet jednodniowa ekspozycja na powietrze przywróciła pierwotne zachowanie podczas ładowania, gdy cząstki ponownie pochłonęły węgiel z atmosfery.
Implikacje dla fizyki
Odkrycie to ma implikacje dla badań tryboelektrycznych. Daniel Lacks, fizyk z Case Western Reserve University, sugeruje, że może to oznaczać, że dokładne przewidzenie transferu ładunku jest zasadniczo niemożliwe: „Jeśli zanieczyszczenie węglem determinuje kierunek ładowania, dokładne obliczenie, w jaki sposób cząstki stają się ładowane, będzie bardzo trudne”.
Badanie pokazuje, że świat jest znacznie bardziej zaśmiecony, niż wcześniej sądzili fizycy. Zanieczyszczenia to nie tylko wady; są to podstawowe silniki zjawisk fizycznych.
Piorun wulkaniczny, niegdyś tajemniczy spektakl, obecnie uwypukla zaskakujący wpływ codziennych zanieczyszczeń na złożone procesy. Rola węgla w chmurach pyłu przypomina nam, że przyroda rzadko funkcjonuje w sterylnych warunkach i nawet najmniejsze cząsteczki mogą kształtować zdarzenia na dużą skalę.
