Ученые узнали температуру молнии по стеклянному следу

Бенджамин Франклин, основатель Пенсильванского университета, экспериментировал с молниями, используя воздушного змея и ключ, почти принимая их удар на себя. В новой серии экспериментов ученые исследовали мощность молнии менее рискованным и гораздо более технологичным способом. 

Работа проводилась под руководством Чиары Элми из отдела наук о Земле и экологии в университете Пенсильвании. Ученые использовали набор методов для исследования фульгурита — тонкого слоя стекла, который формируется на поверхности горной породы, когда в нее попадает молния (от лат. fulgur — «удар молнии»).

Основываясь на анализе кристаллического материала в образце, было установлено, что минимальная температура, при которой образуется фульгурит, составляет примерно 1700 °C.

«Ранее люди использовали морфологические и химические подходы к изучению скальных фульгуритов, но это первый случай, когда фульгурит был классифицирован с минералогической точки зрения, — отмечает Элми. — Мне удалось адаптировать подход, который я использовала для изучения влияния метеоритного удара на породы и отложения, чтобы проанализировать крошечное количество материала и понять фазовые переходы, которые происходят, когда молния попадает в скалу».

В прошлогоднем исследовании профессор Рето Гир, с которым она сотрудничала, изучил скальный фульгурит, обнаруженный в южной Франции, и определил, что удар молнии преобразовал слой породы под ним на атомном уровне, создав контрольные структуры, называемые ударными пластинами. В новой работе команда изучала стеклянный слой, чтобы узнать, что могут рассказать минералы о температуре молнии.

Для этого был выполнен рентгенографический дифракционный анализ, определяющий содержание минералов в образце. Проблема заключалась в том, что для такого анализа требуется примерно один грамм материала, а количество фульгурита толщиной 10 микрометров оказалось не столь существенным. Чтобы адаптировать методику для меньшего количества образца, Элми поместила материал в узкую вращающуюся капиллярную трубку и настроила дифракционную оптику для выравнивания, концентрации и направления рентгеновского пучка к образцу.

Анализ фульгурита показал наличие стекла, а также кристобалита, минерала с тем же химическим составом кварца, но обладающего отчетливой кристаллической структурой. Кристобалит образуется только при очень высокой температуре, и стекло указывает, что верхний слой гранита расплавился во время удара молнии. Анализ Элми позволил ей количественно оценить стекло и остаточные минералы в скальном фульгурите.

«Эти два следа указывают на систему, которая была поражена высокой температурой, — пояснила Элми. — Проведенный анализ также выявляет минимальную температуру для получения стекла. Кристобалит образуется примерно при 1700 °C, значит, эта температура была достигнута, когда молния ударила в скалу».

Температура молний в воздухе, согласно измерениям, намного выше — около 30 000 °C.

Команда провела дополнительные анализы образца фульгурита и обнаружила в нем органический материал, свидетельствующий о том, что молния сожгла лишайник или мох, растущий на поверхности породы, а затем заключила его внутри материала.

«Это очень стремительное событие, — говорит Гир. — Скала нагревается очень быстро и также быстро остывает, что приводит к улавливанию газов в стекле, а некоторые из этих газов образуются при сгорании органики».

В будущем команда надеется разработать полную модель того, что происходит с камнями во время удара молнии, включая химические, физические, биологические и минералогические наблюдения. Как отмечают ученые, удивительно, что молния может превратить гранит в расплавленный металл и полностью изменить его структуру, но некоторые люди, включая Франклина, выживают при ударе.