현실적인 낙뢰 방전 조건에서 실험적인 섬전석 생성

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 11685(2023) 이 기사 인용

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섬광암은 지구 역사 전반에 걸쳐 지질 퇴적물에 기록되어 있습니다. 그들은 또한 반응물의 공급원으로서 프리바이오틱스 화학에서 잠재적인 역할을 할당받았습니다. 섬광은 구름에서 땅으로 떨어지는 번개에 의해 자연적으로 생성됩니다. 번개 사건이 발생하는 공간과 시간의 예측 불가능성으로 인해 섬전암이 형성되는 메커니즘과 조건에 대한 조사가 제한되었습니다. 실험실 기반 접근 방식은 이러한 제한을 완화할 수 있습니다. 여기에서는 Laacher See 화산재에서 생성된 실험적으로 생성된 전복암에 대해 설명합니다. 우리는 자연 낙뢰의 전기적 특성에 밀접하게 대응하는 실험 조건을 가능하게 하는 기능을 갖춘 고전압 실험실에서 트리거 펄스 설정을 갖춘 DC 소스를 사용합니다. 실험적으로 생성된 섬양암은 상태와 질감 모두에서 자연적으로 발생하는 섬양암과 매우 유사합니다. 이러한 실험적 조사는 잘 제한된 조건에서 생성된 전복석 특성의 높은 재현성을 제공하여 자연에서 전복석 생성과 관련된 과정에 관해 일부 추론을 가능하게 합니다. 이 연구는 실험적인 섬괴석의 체계적인 특성화와 번개 방전의 특성을 위한 기초를 제공합니다.

번개를 뜻하는 라틴어인 풀구르(fulgur)에서 유래한 풀구라이트(Fulgurites)는 일반적으로 모래, 토양 또는 암석에 번개가 쳐서 생성된 천연 유리질의 불규칙한 관 형태를 취합니다. 천연 섬광암은 17061년 Herman에 의해 (모래 퇴적물에서) 처음 기술되었으며, 지금까지 발견된 가장 오래된 섬양암은 호스트 위에 있는 화석 석탄기 암석을 기반으로 페름기의 것으로 추측되었습니다2. 지구에 존재하는 섬괴암은 구름에서 땅으로 떨어지는 번개(뇌우 또는 화산 폭발) 또는 송전선과 관련된 사고의 결과로 형성됩니다3,4,5. 천연 섬양암은 고온 광물화에 대한 설명10, 고생태학의 재구성11, 생물 이전 화학에 대한 화학 물질 공급원의 가용성 평가12,13,14를 포함하여 형태학적 및 화학적 상태 측면에서 탐구되었습니다12,13,14 .

실험적으로 생성된 섬전암은 일부 예비 타당성 조사15,16,17,18,19,20에서도 간략하게 설명되었습니다. 이러한 가치 있고 선구적인 과학적 연구는 일반적으로 자연 번개 연구 공동체의 표준 프로토콜의 적용을 받지 않았으며 일반적으로 체계적인 접근 방식의 재현성과 정확성이 부족했습니다. 그 이유는 일반적으로 사용된 실험 기술에 있습니다. 예를 들어, 레이덴 병 배터리(약 20-60kV)에 의해 생성된 전류는 자연적인 것과 매우 유사한 섬전암을 생성하기에는 충분하지 않았습니다. 후속 실험 설정에는 유도성이 누락되었으며17 및/또는 첫 번째 복귀 스트로크 구성 요소(원래 재료의 유전장 강도를 분해하는 데 필수적인 번개 방전 구성 요소)18,21만 생성되었습니다. 정현파를 사용하여 생성된 펄스는 샘플의 유전 파괴를 돕고 궁극적으로 용융을 생성하지만 전복석의 일반적인 형태를 재현하는 데는 충분하지 않습니다19. Castro et al.20이 사용한 200-300ms 동안 전기 용융 시뮬레이터에 의해 생성된 전류(50A)는 자연 번개의 현재 조건(부극성의 경우 ~30kA, 양극성 섬광의 경우 ~300kA)보다 훨씬 낮았습니다.

우리 연구에 사용된 실험 설정(트리거 펄스가 있는 DC 소스)은 낙뢰 연구 커뮤니티의 낙뢰 연구 권장 사항(예: 파형 IEC 6230523)을 준수하도록 설계 및 구성되었으며 Universität der Bundeswehr(UniBw)에 있습니다. , 독일 뮌헨. 이 설정의 주요 장점은 이러한 실험을 쉽고 매우 정확하게 재현할 수 있다는 것입니다.

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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