Вулканические молнии — зрелище, от которого захватывает дух. Представьте: среди густых клубов дыма и пепла, вырывающихся из жерла, вдруг вспыхивают яркие, хаотичные разряды. Иногда они бьют прямо из кратера, а порой сверкают на высоте десятков километров. Даже подводные извержения могут сопровождаться молниями, когда мощные взрывы выбрасывают в воздух пар и пепел.
Сила таких разрядов поражает воображение. Например, во время извержения вулкана Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай на архипелаге Тонга в 2022 году в атмосфере творилось нечто невероятное: каждую минуту фиксировали более 2600 вспышек молний на высоте до 31 км.
Мы привыкли, что обычные грозовые облака заряжаются электричеством благодаря столкновениям. Внутри облака кристаллы льда, подхваченные восходящими потоками воздуха, сталкиваются с падающими частицами града. В результате лед получает положительный заряд, а град — отрицательный. Так и возникает молния.
Но вот загадка: вулканический шлейф состоит из сухого пепла и обломков горных пород. Казалось бы, частицы из одного и того же материала при столкновениях не должны электризоваться. Однако молнии все равно возникают. Этот феномен давно ставил ученых в тупик.
Австрийские специалисты из Института науки и технологий нашли ответ. Они выяснили, что все дело в тончайшем слое молекул, богатых углеродом. В ходе экспериментов ученые обнаружили удивительную вещь: идеально чистые частицы кремнезема не накапливали электрический заряд. Но стоило появиться на их поверхности тонкому углеродному покрытию, как при столкновениях частицы начинали обмениваться зарядом, создавая условия для вспышки.
Это открытие не только объясняет природу вулканических молний, но и помогает лучше понять сложные процессы, происходящие в атмосфере во время извержений. Теперь мы знаем: даже невидимый глазу слой углерода может превратить обычный пепел в источник мощного электрического разряда.
Исследование австрийских ученых было опубликовано в авторитетном научном журнале Nature, что подтверждает значимость их работы для мировой науки.
Как рождается искра в пепле
Чтобы понять суть открытия, нужно разобраться, как вообще возникает молния. В обычной грозе все завязано на трении. Представьте себе мощную «воздушную мешалку» — восходящий поток. Он поднимает вверх легкие кристаллики льда. Навстречу им падают более тяжелые градины. На границе этих потоков постоянно происходят миллиарды столкновений.
В ходе этого «микроскопического хаоса» происходит разделение зарядов: одни частицы становятся положительно заряженными, другие — отрицательными. Со временем разница потенциалов становится настолько огромной, что воздух перестает быть изолятором. Происходит разряд — та самая молния, которую мы видим.
С вулканическим пеплом все сложнее. Пепел — это не лед. Это раздробленная порода, сухая и однородная по составу. Физика подсказывала, что если сталкиваются две одинаковые частицы (например, два кусочка пепла), то никакого значимого разделения зарядов не произойдет. Они просто отскочат друг от друга, оставаясь нейтральными.
Но природа доказала обратное: молнии в вулканических шлейфах реальны и очень мощны. Значит, в составе пепла есть что-то еще, что меняет правила игры.
Роль углеродного покрытия
Австрийские исследователи подошли к вопросу фундаментально. Они взяли частицы кремнезема (основной компонент вулканического стекла и пепла) и начали изучать их поведение в условиях, имитирующих извержение.
Первый этап был контрольным: использовались идеально чистые частицы кремнезема без примесей. Результат подтвердил теорию — при столкновениях они не накапливали статическое электричество.
Затем ученые добавили то самое «секретное оружие» природы — тончайшую пленку из органических соединений, богатых углеродом. Такая пленка неизбежно образуется на частицах пепла в реальной атмосфере из-за сгорания органических веществ при высокой температуре или за счет сложных химических реакций газов.
Эффект оказался поразительным. Как только частицы кремнезема покрылись углеродной пленкой, они начали активно обмениваться зарядом при столкновениях. Углеродное покрытие сработало как катализатор процесса электризации.
Это открытие объясняет, почему одни извержения сопровождаются мощными молниями, а другие — почти нет. Все зависит от химического состава выбросов и наличия тех самых углеродных соединений в шлейфе.
Теперь у ученых есть не только красивое объяснение для этого грозного явления, но и инструмент для анализа вулканической активности по данным о молниях.