211service.com
Hur sandstormar genererar spektakulära blixtskärmar
En av de fascinerande egenskaperna hos vulkaniska molnplymer är de extraordinära uppvisningar av blixtar som de genererar. Liknande utsläpp sker i sandstormar och i damm som blåses upp av helikoptrar som flyger över öknar och orsakar farliga ljusbågar. Dessa åskstormar är lika förbryllande som de är spektakulära.
Det finns två delar av problemet. För det första är sandpartiklar mer eller mindre identiska, i storleksform och kemi. Hur överför de då avgifter mellan sig? För det andra är sandpartiklar isolatorer, inte ledare, vilket gör det dubbelt konstigt att de kan vara involverade i överföringen av så enorma mängder laddning. Vad i hela friden pågår?
Idag säger Thomas Pähtz vid det schweiziska federala tekniska institutet i Zürich och ett par kompisar att de kan förklara det hela med en bedrägligt enkel ny modell. Dessutom gör deras modell några enkla förutsägelser om hur sandpartiklar överför laddning.
Här är deras idé. De börjar med att tänka på sandpartiklar som identiska dielektriska sfärer. I ett elektriskt fält blir dielektriska partiklar polariserade, vilket gör att laddning samlas på varje sida av sandsfärerna. När två sfärer berörs omfördelas laddningen över gränsen mellan dem, vilket skapar en större, dubbelpolariserad partikel. Nyckeltanken är vad som händer när detta delas i två igen: varje partikel får en nettoladdning (se bilden ovan). Polariseringsprocessen börjar sedan igen, vilket gör att partiklarna kan öka sin laddning ytterligare vid varje kollision. Det är inte svårt att se hur ett relativt litet antal kollisioner skulle kunna överföra enorma mängder laddning på detta sätt trots frånvaron av någon form av ledande medium.
Denna modell gör några intressanta förutsägelser om hastigheten med vilken ett moln av sand ska pumpa laddning. Till exempel förutspår den att grunda moln av damm skulle sluta laddas endast svagt. Detta är vad du kan förvänta dig av svaga vindar eller kraftiga korn. På samma sätt bör mycket tjocka moln endast resultera i svag laddning. Pahtz och co säger dock att i mellanliggande moln bör det bli dramatisk laddning. Och visst är det precis vad de hittar, både i numeriska simuleringar av dammmoln och i faktiska experiment de har utfört med riktig sand.
Vi finner som förutspått att grunda agiterade bäddar - som man kan förvänta sig i svaga vindar eller för tunga korn - laddar svagt, liksom mycket djupa agiterade bäddar - som man kan förvänta sig för material med hög avledningsförmåga. Under mellanliggande förhållanden observerar vi dock dramatisk laddning, med de mest högladdade partiklarna som företrädesvis finns nära toppen av den omrörda bädden, säger de.
Det är en elegant idé som ger några fascinerande resultat. Men det lämnar en mycket viktig fråga öppen. I verkliga stormar, vad genererar det elektriska fältet som polariserar sandpartiklarna i första hand? Det ser ut som att Pahtz och co kommer att ha en intressant tid framför sig för att komma till botten med den.
Ref: http://arxiv.org/abs/1003.5188 Varför genererar partikelmoln elektriska laddningar?