Загадка вулканических молний раскрыта

Физики разгадали давнюю загадку процесса, порождающего вулканические молнии: 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 самое явление, из-за которого волосы притягиваются к натертому воздушному шарику.

В облаке вулканического пепла песчинки диоксида кремния, сталкиваясь, обмениваются электрическими зарядами. Положительно и отрицательно заряженные частицы разделяются, и когда между ними проскакивает ток, возникает молния.

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

«Версий было много. Выдвигались предположения, что ключевую роль играет влажность, шероховатость поверхности или кристаллическая структура», — говорит Гальен Грожан из Автономного университета Барселоны.

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

Грожан с коллегами решили проследить, как очистка образцов влияет на их электризацию. Результаты экспериментов обнародованы журналом Nature.

С помощью ультразвука маленькую частицу диоксида кремния удерживали в воздухе, давали ей один раз удариться о пластину-мишень из того же материала, а затем измеряли ее заряд.

«Она могла зарядиться как положительно, так и отрицательно. Если заряд был положительным, мы нагревали или чистили образец и повторяли эксперимент — и тогда частица заряжалась отрицательно», — объясняет ученый.

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

Еще одним доказательством стало то, что очищенный образец вновь начинал заряжаться положительно примерно через сутки — ровно за это время он успевал покрыться свежим слоем углеродных молекул из воздуха.

Исследование впечатлило профессора Дэниела Лакса из Университета Кейс Вестерн Резерв в Кливленде, штат Огайо.

«Все знают, что любые поверхности покрыты слоем всякой "грязи". Но я представить не мог, как сильно она влияет на заряд», — признается он.

По мнению Лэкса, это открытие может быть плохой новостью для физиков. Если направление заряда определяют именно углеродные загрязнения, то точный расчет, как заряжаются частицы, становится крайне сложной задачей. «Возможно, точные предсказания в этой области никогда не станут реальностью», — заключает профессор.