211service.com
Jak burze piaskowe generują spektakularne błyskawice
Jedną z fascynujących cech pióropuszy chmur wulkanicznych są niezwykłe pokazy generowanego przez nie błyskawicy. Podobne wyładowania występują w burzach piaskowych iw pyle wydmuchiwanym przez helikoptery przelatujące nad pustyniami, powodując niebezpieczne wyładowania łukowe. Te burze z piorunami są równie zagadkowe, co spektakularne.
Problem składa się z dwóch części. Po pierwsze, cząsteczki piasku są mniej więcej identyczne pod względem kształtu i składu chemicznego. Jak więc przenoszą opłatę między sobą? Po drugie, cząstki piasku są izolatorami, a nie przewodnikami, co czyni podwójnie dziwnym, że mogą brać udział w przenoszeniu tak ogromnych ilości ładunku. Co się u licha dzieje?
Dzisiaj Thomas Pähtz ze Szwajcarskiego Federalnego Instytutu Technologii w Zurychu i kilku kumpli twierdzą, że mogą wyjaśnić całą sprawę za pomocą zwodniczo prostego nowego modelu. Co więcej, ich model zawiera proste prognozy dotyczące sposobu, w jaki cząstki piasku przenoszą ładunek.
Oto ich pomysł. Zaczynają od myślenia o cząsteczkach piasku jako identycznych kulach dielektrycznych. W polu elektrycznym cząstki dielektryczne ulegają polaryzacji, powodując gromadzenie się ładunku po obu stronach kulek piasku. Kiedy dwie kule stykają się, ładunek rozprowadza się w poprzek granicy między nimi, tworząc większą, podwójnie spolaryzowaną cząstkę. Kluczową ideą jest to, co się dzieje, gdy ponownie rozpada się na dwie części: każda cząstka kończy się ładunkiem netto (patrz rysunek powyżej). Następnie ponownie rozpoczyna się proces polaryzacji, co pozwala cząstkom jeszcze bardziej zwiększać swój ładunek z każdym zderzeniem. Nietrudno zauważyć, jak stosunkowo niewielka liczba zderzeń może doprowadzić do przeniesienia w ten sposób ogromnych ilości ładunku, pomimo braku jakiegokolwiek medium przewodzącego.
Model ten daje kilka interesujących prognoz dotyczących szybkości, z jaką chmura piasku powinna pompować ładunek. Na przykład przewiduje, że płytkie obłoki pyłu zostaną naładowane tylko słabo. Tego można się spodziewać po słabych wiatrach lub ciężkich ziarnach. Podobnie bardzo gęste chmury powinny skutkować jedynie słabym ładowaniem. Jednak Pahtz i spółka twierdzą, że w chmurach pośrednich powinno nastąpić dramatyczne ładowanie. I rzeczywiście, właśnie to znajdują, zarówno w symulacjach numerycznych obłoków pyłu, jak i w rzeczywistych eksperymentach, które przeprowadzali z prawdziwym piaskiem.
Zgodnie z przewidywaniami stwierdzamy, że płytkie, wzburzone złoża – czego można się spodziewać przy słabym wietrze lub w przypadku ciężkich ziaren – ładują się słabo, podobnie jak bardzo głębokie wzburzone złoża – czego można by się spodziewać w przypadku materiałów silnie rozpraszających. Jednak w warunkach pośrednich obserwujemy dramatyczne ładowanie, przy czym najbardziej naładowane cząstki znajdują się preferencyjnie w pobliżu szczytu wzburzonego złoża, jak mówią.
To elegancki pomysł, który daje fascynujące rezultaty. Ale pozostawia otwarte jedno bardzo ważne pytanie. Co w prawdziwych burzach generuje pole elektryczne, które w pierwszej kolejności polaryzuje cząsteczki piasku? Wygląda na to, że Pahtz i spółka będą mieli ciekawy czas na dotarcie do sedna tego.
Nr ref.: http://arxiv.org/abs/1003.5188 Dlaczego chmury cząstek generują ładunki elektryczne?