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.
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