Вулканичните изригвания са мощни природни явления, които впечатляват със своята

Вулканичните изригвания са мощни естествени феномени, които впечатляват със своята мощ и хубост. Сред многото процеси, които съпътстват изригването, вулканичните мълнии, или „ мръсните гръмотевици “, са изключително очарователни. Тези ярки електрически разряди, които се появяват непосредствено в облака от пепел и газ, са освен хипнотизиращи, само че и повдигат доста въпроси за взаимоотношението сред геоложките и атмосферните процеси. Защо вулканичната пепел се трансформира в източник на мълнии? Как се образуват тези заряди? Нека се спрем малко по-подробно.

Древните огньове над Везувий

Историята на вулканичните светкавици датира от епохи. През 79 година от н.е. младият римлянин Плиний Младши, изравен на брега на Неаполитанския залив, следи по какъв начин Везувий изхвърля в небето колони от пепел. В писмата си той разказва мрачен облак, разкъсван от „ огнени зигзаги “ и светлинни линии, сходни на мълнии, само че извънредно мощни. Това е първото документирано доказателство за вулканична гръмотевица – събитие, което по това време наподобява като божествено предсказание. Изригването унищожава Помпей и Херкулан, а Плиний Старши, чичото на създателя, умира в опит да избави приятелите си и да изследва бедствието. Неговото име по-късно дава названието на Плиниевите изригвания – избухливи изригвания на пепел и лава, постоянно съпроводени от мълнии.

Оттогава насам вулканичните мълнии са следени по целия свят, само че тяхната същина дълго време остава мистерия. Днес, с помощта на фотосите, видеоклиповете и научните проучвания, знаем, че тези разряди са резултат от комплицирани процеси, протичащи в изригващия дирек – облак от пепел и газове, издигащ се над вулкана. За да разберем по какъв начин се раждат тези мълнии, би трябвало да надникнем в сърцето на изригването.

Пораждането на заряда в хаоса от пепел

Представете си изригване: от устието на вулкана излизат нажежени до алено газове, скални фрагменти и пепел, нагряти до 1500 °C. Тази примес образува еруптивна колона, която се издига на десетки километри в небето. В него царува турбулентност, при която частиците се сблъскват, смачкват и трият една в друга. Именно тук стартира процесът, водещ до появяването на мълнии.

Когато скалата се разцепва, поражда фракционна емисия: дребните частици освобождават електрони, създавайки заредени йони. В същото време триенето сред частиците натрупва неподвижен заряд, сходно на метода, по който облеклата се наелектризират в изсъхнало време. Колкото по-фина е пепелта, толкоз по-интензивен е този развой, защото дребните частици имат по-голяма повърхнина за взаимоотношение. Но зарядът не е задоволителен – с цел да се получи гръмотевица, би трябвало да се разделят позитивните и негативните йони.

Тежките частици, като да вземем за пример огромните скални парчета, се утаяват бързо в основата на колоната, като постоянно носят позитивен заряд. От друга страна, леките пепел и газове се издигат по-високо, носейки негативен заряд. Разликата в масата и скоростта основава зони с противоположни заряди в колоната, сходно на великански натурален кондензатор. Когато напрежението сред тях доближи сериозна точка, въздухът, който по принцип е изолатор, се трансформира в проводник и се поражда гръмотевица – мощен поток от електрони, който осветява облака от пепел.

Интересно е, че водата играе непредвидена роля в този развой. Магмата съдържа водни пари, които, издигайки се в студените пластове на атмосферата, замръзват, образувайки ледени кристали. Тези кристали, сблъсквайки се в турбулентните потоци, усилват зареждането, както в елементарните гръмотевични облаци. По този метод на височина от 7-10 километра вулканичните мълнии могат да се появят даже при липса на пепел, с помощта на ледения механизъм.

Разнообразието на мълниите: от кратера до стратосферата

Вулканичните мълнии не са идентични. Те се разграничават по мястото си на пораждане и по характера си. В самото устие на вулкана, където концентрацията на пепел е най-висока, мълниите в устието на вулкана – ярки, безредни разряди, породени от интензивното търкане на частиците. По-нагоре, в по-студените пластове на атмосферата, се следят височинни мълнии, свързани с ледените кристали. По отношение на формата си те могат да бъдат линейни, разклоняващи се като класическите мълнии, или сферични, създаващи призрачни светкавици.

Интензивността на мълниите зависи от силата на изригването. Учените я мерят благодарение на показателя на вулканичната интензивност (VEI), който регистрира размера на изхвърления материал и височината на пепелния дирек. Слабите изригвания, като да вземем за пример вулканът Килауеа на Хаваите (VEI 0-1), рядко са съпроводени от мълнии. За разлика от тях мощните изригвания като Кракатау през 1883 година (VEI 6) или Тамбора през 1815 година (VEI 7) провокират хиляди разряди. Най-яркият образец е изригването на Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай през 2022 година, когато в небето са регистрирани до 2600 светкавици в минута, в това число мълнии на височина 20-30 км.

Мълниите могат да бъдат изключително впечатляващи при подводните изригвания. Когато магмата се срещне с морската вода, както при изригването на Анак Кракатау през 2018-2019 година, пораждат детонации, при които се изхвърлят пара и пепел. Парата, замръзнала в горните пластове на атмосферата, основава идеални условия за рекордна електрическа интензивност – за шест дни са регистрирани 150 000 разряда.

Вулканите под прицела на науката

Сакураджима, вулкан на японския остров Кюшу, е същинска лаборатория за проучване на мълниите. Той изригва съвсем непрестанно от 1955 година насам и неговите облаци от пепел постоянно са осветявани от електрически светкавици. Японските учени са обкръжили вулкана с мрежа от датчици, които записват разрядите в действително време, помагайки да се разбере по какъв начин се образуват и движат електрическите заряди. Сред другите горещи точки са вулканите в Индонезия, Чили и Филипините. Така да вземем за пример изригването на чилийския вулкан Чайтен през 2008 година, първото от 9 000 години насам, или филипинският Таал през 2020 година са източник на неповторими данни и фотоси.

Съвременните технологии, като високоскоростните камери и сателитните изображения, дават опция за в детайли снимане на мълниите. Лабораторните опити допълват картината: учените моделират изригващи колони, като учат по какъв начин размерът на частиците, налягането на газа и размерът на пепелта въздействат върху заряда. Тези проучвания демонстрират, че дребните частици усилват честотата на светкавиците, а високото налягане в изригването укрепва тяхната мощ.

Но проучването на мълниите не е единствено техническо предизвикателство. То ни оказва помощ да разберем самата същина на изригванията. Например по време на изригването на вулкана Редута в Аляска през 2009 година учените виждат, че зарядите са разпределени безредно в отвора, само че на избрана височина се образуват хоризонтални пластове, което демонстрира другите механизми на зареждане при другите стадии.

Мълниите и живот на Земята

Вулканичните мълнии не са просто красива панорама. Те оказват въздействие върху химичния състав на атмосферата и биологичните процеси. Един от главните резултати е фиксацията на азота. Мълнията разцепва молекулите на азота (N₂), като им дава опция да се съединят с кислорода и да образуват азотни оксиди. Тези съединения, когато се освободят в почвата с преваляванията, се трансформират в хранителни субстанции за микроорганизмите. Светкавиците създават до 8,6 млн. тона азотни оксиди всяка година, което има забележителен принос за азотния цикъл.

Освен това мълниите основават биодостъпен фосфор, който се намира във фулгуритите – стъкловидни структури, формирани при удар на гръмотевица в почвата. Този фосфор зарежда морските и сухоземните екосистеми. Учените считат, че мълниите може да са изиграли основна роля в зараждането на живота в архайския интервал, преди 4-2,5 милиарда години, когато вулканичната активност е била изключително интензивна. Разрушавайки химичните връзки, те са улеснили синтеза на аминокиселините и другите органични молекули, от които по-късно са се образували първите живи организми.

Мълнията, този античен знак на мощ и тайнственост, се оказва способна на доста повече, в сравнение с сме предполагали. Тя не просто осветява небето и гърми, а е натурален ускорител на частици, генериращ енергийно най-мощното лъчение във Вселената. И всяко сходно изобретение, каквото е работата на японските откриватели, освен дава отговор на остарели въпроси, само че, както постоянно се случва в науката, слага нови, още по-интересни. И това е отлично, тъй като точно любознанието е моторът на напредъка.