Бенджамин Франклин, основатель Пенсильванского университета, как полагают, экспериментировал с мощными свойствами молнии, используя воздушного змея и ключ, и, вероятно, в процессе чуть не убил себя электрическим током.
В новом наборе экспериментов в Пенне исследователи исследовали силу молнии менее рискованным, но гораздо более технологически продвинутым способом.
Кьяра Эльми, научный сотрудник Пенсильванского факультета наук о Земле и окружающей среде в Школе искусств и наук, руководила работой, в ходе которой использовался набор методов для изучения фульгурита, тонкого слоя стекла, образующегося на поверхность скалы при ударе молнии. Среди других результатов исследование показало, что, исходя из кристаллического материала в образце, минимальная температура, при которой образовался фульгурит, составляла примерно 1700 градусов по Цельсию.
«Люди использовали морфологические и химические подходы для изучения горных фульгуритов, но это был первый раз, когда горный фульгурит был классифицирован с минералогической точки зрения», - сказал Элми. «Мне удалось адаптировать подход, который я использовал ранее для изучения последствий удара метеорита о скалы и отложения, для анализа небольшого количества материала, чтобы понять фазовые переходы, которые происходят, когда молния ударяет в скалу».
Элми сотрудничал в работе со старшим автором Рето Гьере, профессором и заведующим кафедрой наук о Земле и окружающей среде, а также с доктором Цзянчжи Ченом из отдела, и Дэвидом Голдсби, доцентом.
Их статья будет опубликована в журнале American Mineralogist.
В исследовании, опубликованном в прошлом году, Жьер охарактеризовал каменный фульгурит, найденный на юге Франции, и обнаружил, что удар молнии, поразивший его, преобразовал слой породы под фульгуритом на атомном уровне, создав контрольные структуры, называемые шоком. ламели.
Команда хотела продолжить исследования в новой работе.
«В данном случае, - сказал Жьере, - мы вместо этого хотели более подробно изучить стеклянный слой, чтобы узнать, что присутствующие в нем минералы могут рассказать нам о температуре молнии».
Для этого Элми провел анализ дифракции рентгеновских лучей, который собирает информацию о том, как рентгеновские лучи взаимодействуют с кристаллическими материалами, чтобы сделать вывод о содержании минералов в данном образце. Однако в данном случае проблема заключалась в том, что для типичного рентгеноструктурного анализа требуется примерно грамм материала, а количество фульгурита толщиной 10 микрометров было не таким значительным.
Чтобы адаптировать метод к меньшему количеству образца, Элми поместил материал в узкую вращающуюся капиллярную трубку и отрегулировал дифракционную оптику для выравнивания, концентрации и направления рентгеновского луча на образец. Анализ фульгурита выявил наличие стекла, а также кристобалита, минерала с таким же химическим составом, как кварц, но с отличной кристаллической структурой. Кристобалит образуется только при очень высокой температуре, и стекло показало, что верхний слой гранита расплавился во время удара молнии. Анализ Элми позволил ей впервые определить количество стекла и остаточных минералов в фульгурите.
«Эти две сигнатуры указывают на то, что система подверглась воздействию высокой температуры», - сказал Элми. «Этот анализ также показывает минимальную температуру, необходимую для создания стекла, потому что кристобалит образуется при температуре около 1700 градусов по Цельсию, поэтому вы знаете, что эта температура была достигнута, когда молния ударила в скалу."
Измеренная температура молнии в воздухе на самом деле намного выше - около 30 000 градусов по Цельсию, но этот анализ показывает, что температура самой породы была повышена с температуры окружающей среды как минимум до 1 700 градусов по Цельсию.
Команда провела дополнительные анализы образца фульгурита. Они обнаружили органический материал в образце, что указывает на то, что молния сожгла лишайник или мох, растущий на поверхности скалы, а затем заперла их внутри материала.
"Это очень быстрое событие", - сказал Жьере. «Горная порода очень быстро нагревается и также очень быстро остывает. Это удерживает газы в стекле, и некоторые из этих газов образуются при сгорании органического материала».
В будущих исследованиях команда надеется разработать полную модель того, что происходит с горными породами во время удара молнии, включая химические, физические, биологические и минералогические наблюдения. Они отмечают, что людям, подобным Франклину, которые почти не попали в молнию, действительно повезло.
«Удивительно, как молния может расплавить гранит и полностью изменить его структуру, но некоторые люди выживают после удара молнии», - сказал Жьере.