Тайна вулканической молнии раскрыта

Физики разгадали давнюю загадку процесса образования вулканических молний: почему трение одинаковых частиц заряжает одни из них положительно, а другие отрицательно?

Обмен электрическими зарядами при соприкосновении двух объектов (так называемый трибоэлектрический эффект) – это то же явление, которое вызывает притягивание волос к натертому воздушному шарику.

В облаке вулканического пепла частицы диоксида кремния сталкиваются и обмениваются электрическими зарядами. Положительно и отрицательно заряженные частицы разделяются, и при прохождении между ними тока возникает молния.

До сих пор наука не могла понять, что нарушает симметрию между двумя частицами одного и того же материала, заставляя заряд течь в том или ином направлении.

"Было много версий. Предполагалось, что ключевую роль играют влажность, шероховатость поверхности или кристаллическая структура", - говорит Галлиен Грожан из Автономного университета Барселоны.

Работая в Австрийском институте науки и технологий, он предположил, что ответ может заключаться в углеродсодержащих молекулах на поверхности частиц. Такие молекулы повсеместно встречаются в природе, и ученые-материаловеды обычно стремятся свести к минимуму эти загрязнения.

Грожан и его коллеги решили проследить, как очистка образцов повлияет на их электризацию. Результаты экспериментов были опубликованы в журнале Nature.

С помощью ультразвука небольшая частица диоксида кремния удерживалась в воздухе, ударялась один раз о пластину-мишень из того же материала, а затем измерялся ее заряд.

"Она могла быть заряжена как положительно, так и отрицательно. Если заряд был положительным, мы нагревали или очищали образец и повторяли эксперимент - и тогда частица становилась отрицательно заряженной", - объясняет ученый.

Анализ образцов подтвердил, что основную роль действительно играет удаление углеродсодержащих молекул. «Мы увидели, что этот эффект перевешивает все остальные», — утверждает Грожан.

Еще одним доказательством стало то, что очищенный образец снова начал положительно заряжаться примерно через сутки — ровно за это время он успел покрыться свежим слоем молекул углерода из воздуха.

Исследование произвело впечатление на профессора Дэниела Лакса из Университета Кейс Вестерн Резерв в Кливленде, штат Огайо.

«Все знают, что любая поверхность покрыта слоем всевозможной «грязи». Но я не мог себе представить, насколько сильно это влияет на заряд», — признается он.

По мнению Лакса, это открытие может стать плохой новостью для физиков. Если направление заряда определяется углеродными примесями, то точно рассчитать, как заряжаются частицы, становится крайне сложно.

«Возможно, точные прогнозы в этой области никогда не станут реальностью», — заключает профессор.