Generazione sperimentale di folgorite in condizioni realistiche di scarica di fulmini

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 11685 (2023) Citare questo articolo

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Le fulguriti sono state documentate in depositi geologici di tutta la storia della Terra. È stato loro assegnato anche un potenziale ruolo nella chimica prebiotica come fonte di reagenti. Le fulguriti sono generate in natura dai fulmini nuvola-terra. L'imprevedibilità nello spazio e nel tempo del verificarsi di eventi di fulmini ha limitato lo studio sia dei meccanismi che delle condizioni in cui si formano le folgoriti. Un approccio basato sul laboratorio può mitigare queste limitazioni. Qui descriviamo le fulguriti generate sperimentalmente dalla cenere vulcanica del Laacher See. Utilizziamo una sorgente CC con una configurazione a impulso di innesco in un laboratorio ad alta tensione, le cui capacità consentono condizioni sperimentali che corrispondono strettamente alle caratteristiche elettriche dei fulmini naturali. Le folgoriti generate sperimentalmente assomigliano molto alle folgoriti presenti in natura sia nello stato che nella consistenza. Queste indagini sperimentali producono un'elevata riproducibilità delle caratteristiche delle folgoriti generate in condizioni ben vincolate, consentendo di fare alcune inferenze riguardo ai processi coinvolti nella generazione delle folgoriti in natura. Questo lavoro fornisce la base per una caratterizzazione sistematica delle fulguriti sperimentali e delle caratteristiche delle scariche dei fulmini.

Le fulguriti, dalla parola latina per fulmine, fulgur, generalmente assumono la forma di tubi irregolari vetrosi naturali generati da fulmini nella sabbia, nel terreno o nella roccia. Le fulguriti naturali furono descritte per la prima volta (in sedimenti sabbiosi) da Herman nel 17061, e si è ipotizzato che la fulgurite più antica trovata fino ad oggi, sulla base delle rocce fossilifere del Carbonifero sovrastanti l'ospite, sia di età Permiana2. Le fulguriti presenti sulla Terra si formano a causa di fulmini nuvola-terra (sia in caso di temporali che di eruzioni vulcaniche) o in seguito ad incidenti che coinvolgono le linee di trasmissione elettrica3,4,5. Le fulguriti naturali sono state esplorate in termini dei loro stati morfologici e chimici6,7,8,9, inclusa la descrizione della mineralizzazione ad alta temperatura10, la ricostruzione della paleoecologia11 e la valutazione della disponibilità di fonti chimiche per la chimica prebiotica12,13,14 .

Fulguriti generate sperimentalmente sono state anche brevemente descritte in alcuni studi preliminari di fattibilità15,16,17,18,19,20. Queste preziose ricerche scientifiche pionieristiche generalmente non sono state soggette ai protocolli standard della comunità di ricerca sui fulmini naturali e generalmente mancano della riproducibilità e della precisione di un approccio sistematico. Le ragioni generalmente risiedono nelle tecnologie sperimentali impiegate. La corrente generata dalla batteria della bottiglia di Leida (circa 20–60 kV) era, ad esempio, insufficiente per creare fulguriti molto simili a quelle naturali15,16. Le successive configurazioni sperimentali mancavano di induttività17 e/o producevano esclusivamente una componente della corsa di primo ritorno (la componente della scarica del fulmine vitale per abbattere l'intensità del campo dielettrico del materiale originale)18,21. L'impulso da loro generato utilizzando la forma d'onda sinusoidale favorisce la rottura dielettrica del campione, generandone infine la fusione, ma non è sufficiente a riprodurre la morfologia tipica delle fulguriti19. La corrente prodotta (50 A) dal simulatore di elettrofusione per 200–300 ms utilizzato da Castro et al.20 era ben al di sotto della condizione attuale del fulmine naturale (~30 kA per polarità negativa e ~300 kA per lampi con polarità positiva22).

L'apparato sperimentale utilizzato nel nostro studio (sorgente CC con impulso di innesco) è stato progettato e costruito per garantire la conformità con le raccomandazioni della comunità di ricerca sui fulmini per gli studi sui fulmini (ad esempio, forme d'onda IEC 6230523) e si trova presso l'Universität der Bundeswehr (UniBw) , Monaco, Germania. Uno dei principali vantaggi di questa configurazione è che questi esperimenti possono essere riprodotti facilmente e in modo molto preciso.

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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