Erstaunlicher vulkanischer Blitz

Spaß wie ein Blitz, der schwarze Wolken zerreißt und nur für einen Moment funkelt; Lebhaftigkeit scheint wie ein Tag und erfüllt die Seele mit einer starken und beständigen Gelassenheit. "
- Joseph Addison , der Zuschauer

Eines der auffälligsten Phänomene in unserer Atmosphäre ist der Blitz. Im Video können Sie in Zeitlupe sehen, wie bei einem Schlag zwischen den Wolken und der Erdoberfläche ein Elektronenaustausch in einer Menge von etwa 100.000.000.000.000.000.000 stattfindet.



Wie passiert das?

Denken Sie daran, dass jedes Atom im Universum - einschließlich der Atome in unserer Atmosphäre - aus einem positiv geladenen Kern und einem Bündel negativ geladener Elektronen besteht. Normalerweise betrachten wir neutrale Atome, bei denen die Anzahl der Elektronen der Anzahl der Protonen in jedem Kern entspricht, aber dies ist nicht immer der Fall.



Sehr oft ist es energetisch vorzuziehen, dass ein Atom ionisiert wird, dh das oder die Elektronen aufnimmt oder verliert. Manchmal ist ein Beispiel für mehrere Ionen etwas wie Speisesalz.

Wenn Sie diese Ionen trennen können, erzeugen Sie eine Ladungstrennung, die zum Auftreten von Spannung führt. Wenn die Spannung, auch als Differenz der elektrischen Potentiale bekannt , zwischen zwei Abschnitten zu groß wird - selbst wenn sich nur Luft zwischen ihnen befindet - wird sie spontan zu einem Leiter , und Sie sehen einen Blitz, der einen schnellen Ladungsaustausch darstellt!



Sie kennen den Blitz, der eine große Strecke zurücklegt, wenn die Ladung von den Gewitterwolken auf die Erdoberfläche übertragen wird. Aber wie beim Ausbruch des Vulkans Eyjafjädlajökull führen auch Vulkanausbrüche häufig zum Auftreten von Blitzen, die als schmutziges Gewitter oder Vulkanblitz bezeichnet werden.



Im Laufe der Jahre wurden mehrere atemberaubende Fotos von vulkanischen Blitzen gesammelt. Mein Favorit wird vielleicht ein Foto vom Ausbruch von Eyyafyadlayyokyudlya sein, das aus einem Hubschrauber aufgenommen wurde.





Historisch gesehen war es sehr schwierig, die Momente des vulkanischen Blitzes festzuhalten, aber wir haben es trotzdem geschafft, solche Fotos viele Male für verschiedene Vulkane zu machen.

Hier sind zum Beispiel Fotos des chilenischen Chaiten-Vulkans, die während seines Ausbruchs im Jahr 2008 aufgenommen wurden - das erste seit 9.000 Jahren!



Unglaublich aktiv in der jüngeren Geschichte, der japanische Vulkan Sakurajima , der seit 1955 fast ununterbrochen ausbricht. 1960 wurde ein Vulkanobservatorium gegründet, um es zu beobachten, und es erlebte das wiederholte Auftreten von Blitzen, auch 1988.



Sogar Blitze wurden während des Ausbruchs des Vesuvs im Jahr 1944 filmisch festgehalten!



Ich möchte im Detail erzählen, wie vulkanische Blitze funktionieren, aber ehrlich gesagt wissen wir das nicht zu 100%. Dieses Problem wird noch aktiv untersucht .

Aber als theoretischer Physiker kann ich Ihnen sehr gut das allgemeine Bild davon geben, was genau mit hoher Wahrscheinlichkeit passiert.



Schritt 1 - Die meisten Atome sind neutral. Bei großen Mengen freier Energie ist es jedoch kein Problem, die Elektronen aus einigen Atomen, die sie nur sehr wenig halten, auszuschalten. Gleichzeitig werden diese Elektronen von anderen betroffenen Atomen eingefangen (Schritt 2).

Es gibt keine Probleme mit diesem Teil - wir sprechen von einem Vulkan!


Yasur - ein aktiver Vulkan auf der Insel Tanna (Vanuatu), 2010

Bei Temperaturen in der Größenordnung von 1500 K wird es wirklich nicht an Energie mangeln, um die Elektronen einiger Atome auszuschalten. Ausgeschlagene Elektronen nehmen andere Atome auf, wodurch eine große Anzahl positiver und negativer Ionen erzeugt wird.



Der entscheidende und notwendige Moment ist die Trennung von negativen und positiven Ladungen (Schritt 3). Sie müssen viele Ionen trennen und in einem ausreichend großen Abstand trennen, um eine Potentialdifferenz zu erzielen, die einen Blitz verursachen kann (Schritt 4). Wenn wir dies tun können, können wir vulkanische Blitze erzeugen.

Wie trennen wir diese Gebühren? Denken Sie daran, dass wir in einem heißen und turbulenten Medium eine Reihe von positiv und negativ geladenen ionisierten Atomen haben. Darin erscheinen verschiedene Elemente, die sich aus den Eingeweiden der Erde erheben.



Es ist sofort zu erkennen, dass sich diese Elemente sowohl in der Masse als auch im Radius voneinander unterscheiden. Alle müssen eine hohe Temperatur haben, und nachdem sie aus der Mündung des Vulkans entkommen sind, sollte ihre Temperatur sinken. Dies ist sehr wichtig für die Geschwindigkeiten der betreffenden Atome / Ionen.



Im Durchschnitt bewegen sich Atome und Ionen, die aus einem Vulkan herausfliegen, zuerst schneller, kühlen dann ab und beginnen sich langsamer zu bewegen.

Dies an sich bedeutet nicht viel, aber zwei wichtige Faktoren spielen eine Rolle, die die Trennung von positiv und negativ geladenen Ionen erleichtern. Erstens sind diese Ionen in ihrer Masse sehr unterschiedlich!



Je größer die Atommasse eines Elements ist, desto langsamer bewegt es sich weg, auch wenn seine Temperatur mit einem leichteren Element vergleichbar ist! Vieles davon folgt daraus, einschließlich der Tatsache, dass schwere Ionen mehr Trägheit haben und es für sie schwieriger ist, den Impuls zu ändern. Diese sich langsam bewegenden schweren Ionen bewegen sich also ganz anders als schnelle und leichte Ionen. Darüber hinaus wird diese Position bei unterschiedlichen Temperaturen gehalten!



Der zweite sehr wichtige Faktor, der die Trennung von Ionen erleichtert, ist der große Größenunterschied und damit die Querschnitte zwischen positiven und negativen Ionen.

Natürlich haben verschiedene Elemente unterschiedliche Größen. Ionen verhalten sich jedoch radikaler. Mal sehen wie genau.



Normalerweise sind negativ geladene Ionen riesig und positiv geladene winzig! Warum? Wenn Sie mehr Elektronen in ein Atom einbringen, stoßen sie sich gegenseitig ab, und der Kern (der weniger Protonen als Elektronen hat) kann keine Elektronen in einem solchen Raum halten, der einem neutralen Atom eigen ist, sodass das Atom an Größe zunimmt. Um andererseits ein positiv geladenes Ion zu erhalten, müssen Sie die Elektronen aus dem Atom herausschlagen, und der Kern (in dem mehr Protonen als Elektronen vorhanden sind) hält die Elektronen kompakter!

Dies bedeutet, dass der Querschnitt negativer Ionen größer ist als der Querschnitt positiver Ionen und sich daher völlig anders verhalten.

Wenn Sie all diese Fakten kombinieren: Ionen unterschiedlicher Masse, die sich mit unterschiedlichen Durchschnittsgeschwindigkeiten bewegen und unterschiedliche Abschnitte in einem Medium mit einem Temperaturgradienten haben - und hier ist die Trennung von Ionen! Und was bekommen wir dadurch?



Vulkanblitz! Alle Fotos wurden im Juni 2011 in Chile aufgenommen. Dies ist eine der neuesten und schönsten Fotografien von Vulkanblitzen. Genieße es!











Als Bonus auf Google+ können Sie das gesamte Album mit Fotos von Vulkanen und vulkanischen Blitzen sehen!