現実的な雷放電条件下でのフルグライトの生成実験

Scientific Reports volume 13、記事番号: 11685 (2023) この記事を引用

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1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

フルグライトは地球の歴史を通じて地質堆積物中に記録されています。また、それらはプレバイオティクス化学における反応物質の供給源として潜在的な役割も割り当てられています。フルグライトは自然界では雲から地面への落雷によって生成されます。雷現象の発生は時空間的に予測不可能であるため、フルグライトが形成されるメカニズムとその形成条件の両方の研究は限られています。研究室ベースのアプローチにより、これらの制限を軽減できます。ここでは、Laacher See の火山灰から生成された実験的に生成されたフルグライトについて説明します。私たちは、高電圧実験室でトリガーパルスを備えた DC 電源を使用しています。その機能により、自然落雷の電気的特性に厳密に対応する実験条件が可能になります。実験的に生成されたフルグライトは、状態と質感の両方において天然に存在するフルグライトによく似ています。これらの実験的研究により、十分に制約された条件下で生成されるフルグライトの特徴の高い再現性が得られ、自然界におけるフルグライトの生成に関与するプロセスに関していくつかの推論を行うことが可能になります。この研究は、実験用フルグライトの系統的な特性評価と雷放電の特性の基礎を提供します。

フルグライトは、ラテン語で雷を意味するフルグルに由来し、一般に、砂、土、または岩への落雷によって生成される天然のガラス状の不規則な管の形をとります。天然のフルグライトは 17061 年にハーマンによって初めて (砂質堆積物中に) 記載され、これまでに発見された最古のフルグライトは、ホストを覆っている化石質の石炭紀の岩石に基づいてペルム紀のものであると推測されています 2。地球上に存在するフルグライトは、雲から地面への落雷（雷雨または火山の噴火による）、または送電線に関わる事故の結果として形成されます3、4、5。天然のフルグライトは、高温鉱化作用の説明 10、古生態学の再構成 11、生物以前の化学のための化学源の利用可能性の評価 12、13、14 など、その形態学的および化学的状態の観点から研究されてきました 6、7、8、9。。

実験的に生成されたフルグライトは、いくつかの予備的な実現可能性研究でも簡単に説明されています 15、16、17、18、19、20。これらの貴重な先駆的な科学的調査は、通常、自然雷研究コミュニティの標準プロトコルの対象になっておらず、体系的なアプローチの再現性と精度が一般に欠けています。その理由は通常、使用された実験技術にあります。たとえば、ライデン瓶電池によって生成される電流 (約 20 ～ 60 kV) は、天然のものによく似たフルグライトを生成するには不十分でした 15,16。その後の実験設定では誘導性が欠落していたり 17 、あるいは最初の戻りストローク成分 (元の材料の誘電界強度を破壊するのに不可欠な雷放電の成分) のみが生成された 18,21 。正弦波形を使用して生成されたパルスはサンプルの絶縁破壊を促進し、最終的には溶融を引き起こしますが、フルグライトの典型的な形態を再現するには十分ではありません 19。 Castro et al.20 が使用したエレクトロメルトシミュレーターによる 200 ～ 300 ms の生成電流 (50 A) は、自然雷の電流条件 (負極性の場合は約 30 kA、正極性のフラッシュの場合は約 300 kA) を大幅に下回りました。

私たちの研究で使用した実験装置 (トリガーパルスを備えた DC 電源) は、落雷研究に関する雷研究コミュニティの推奨事項 (波形 IEC 6230523 など) に確実に準拠するように設計および構築されており、ドイツ連邦国防大学 (UniBw) に設置されています。、ドイツ、ミュンヘン。このセットアップの主な利点は、これらの実験を簡単かつ非常に正確に再現できることです。

40 ms) by Lapierre et al.38. Studies show that, although infrequent, continuing current following return strokes can last longer than 100 ms and can exceed 350 ms38,39. In our study, the minimum continuing current duration at which substantial melting is first observed is 100 ms (experiment T100). This is also the shortest continuing current duration that can be achieved with our setup; hence we cannot exclude that melting may be already produced by shorter continuing currents, other parameters (i.e., composition, grain size distribution and electrodes gap) kept constant. A striking difference in the structure of the fulgurite is observed between experiments with no continuing currents and continuing current of 100 ms (i.e., experiments T0 and T100, respectively). Exposure of the pristine material to longer continuing currents (i.e., T200 and T300) does not produce substantial structural and chemical changes of the experimental fulgurites relatively to T100./p> 300 µm) in the pristine material seem to prevent the shaping of the fulgurite in its form, while they seem not to prevent the shaping of the fulgurite when in moderate to low amounts. However, as shown in this study, larger grains undergo thermal deformation from their outer boundaries (Fig. 4f–j). On the other side, Teixeira42 indicates that smaller grains (40–150 µm—quartz) were completely melted in the formation of the fulgurite. Wadsworth et al.43 also support our finding in that the edges of the smaller (nearly 310 µm) volcanic ash particles would round up in the ionized lightning channel for heating durations of 3 ms and temperature exceeding 3000 K, while larger grains would retain their original shape. Elmi et al.40 show that an uncrushed holocrystalline rock (an unaltered block of granitic rock sample) exposed to the AC source voltage (up to 150 kV) with 26.5 cm distance of electrodes did also not generate any melt. This indicates that after the grain size exceeds a certain limit formation of a fulguritic mass is greatly inhibited./p>

2.0.CO;2" data-track-action="article reference" href="https://doi.org/10.1130%2F0016-7606%281985%2996%3C1554%3ALSTAWI%3E2.0.CO%3B2" aria-label="Article reference 29" data-doi="10.1130/0016-7606(1985)962.0.CO;2"Article ADS Google Scholar /p>

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