Geração experimental de fulgurito sob condições realistas de descarga atmosférica

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 11685 (2023) Citar este artigo

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Fulguritos foram documentados em depósitos geológicos ao longo da história da Terra. Eles também receberam um papel potencial na química prebiótica como fonte de reagentes. Os fulguritos são gerados na natureza por descargas atmosféricas nuvem-solo. A imprevisibilidade no espaço e no tempo da ocorrência de raios limitou a investigação tanto dos mecanismos como das condições em que os fulguritos se formam. Uma abordagem baseada em laboratório pode mitigar essas limitações. Aqui, descrevemos fulguritos gerados experimentalmente a partir de cinzas vulcânicas de Laacher See. Empregamos uma fonte CC com configuração de pulso de disparo em um laboratório de alta tensão, cujas capacidades permitem condições experimentais que correspondem intimamente às características elétricas dos relâmpagos naturais. Os fulguritos gerados experimentalmente se assemelham muito aos fulguritos que ocorrem naturalmente, tanto no estado quanto na textura. Estas investigações experimentais produzem uma alta reprodutibilidade das características dos fulguritos gerados sob condições bem restritas, permitindo que algumas inferências sejam feitas a respeito dos processos envolvidos na geração de fulguritos na natureza. Este trabalho fornece uma base para uma caracterização sistemática de fulguritos experimentais e a característica de descargas atmosféricas.

Fulguritos, da palavra latina para relâmpago – fulgur, geralmente assumem a forma de tubos irregulares vítreos naturais gerados por raios na areia, solo ou rocha. Os fulguritos naturais foram descritos pela primeira vez (em sedimentos arenosos) por Herman em 17061, e o fulgurito mais antigo encontrado até hoje foi especulado, com base nas rochas carboníferas fossilíferas que recobrem o hospedeiro, como sendo da idade Permiana2. Os fulguritos presentes na Terra se formam por descargas atmosféricas nuvem-solo (por tempestades ou erupções vulcânicas) ou como resultado de acidentes envolvendo linhas de transmissão elétrica3,4,5. Fulguritos naturais foram explorados em termos de seus estados morfológicos e químicos6,7,8,9, incluindo a descrição de mineralização em alta temperatura10, reconstrução da paleoecologia11 e avaliação da disponibilidade de fontes químicas para a química pré-biótica12,13,14 .

Fulguritos gerados experimentalmente também foram brevemente descritos em alguns estudos preliminares de viabilidade . Estas valiosas investigações científicas pioneiras geralmente não foram sujeitas aos protocolos padrão da comunidade de investigação sobre raios naturais e geralmente carecem da reprodutibilidade e precisão de uma abordagem sistemática. As razões geralmente residem nas tecnologias experimentais empregadas. A corrente gerada pela bateria do frasco de Leyden (cerca de 20–60 kV) foi, por exemplo, insuficiente para criar fulguritos muito semelhantes aos naturais . As configurações experimentais subsequentes não tinham indutividade e/ou produziram apenas um componente de curso de primeiro retorno (o componente da descarga atmosférica vital para quebrar a intensidade do campo dielétrico do material original) . O pulso gerado pela forma de onda senoidal auxilia na quebra dielétrica da amostra, gerando em última análise a fusão, mas não é suficiente para reproduzir a morfologia típica dos fulguritos . A corrente produzida (50 A) pelo simulador de eletrofusão por 200-300 ms usado por Castro et al.20 estava bem abaixo da condição atual do raio natural (∼30 kA para polaridade negativa e ∼300 kA para flashes de polaridade positiva22).

A configuração experimental usada em nosso estudo (fonte DC com pulso de disparo) foi projetada e construída para garantir a conformidade com as recomendações da comunidade de pesquisa de raios para estudos de descargas atmosféricas (por exemplo, formas de onda IEC 6230523) e está localizada na Universität der Bundeswehr (UniBw). , Munique, Alemanha. Uma grande vantagem desta configuração é que esses experimentos podem ser reproduzidos com facilidade e precisão.

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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