Введение
Фулгуриты, обычно называемые "окаменелой молнией", – это природные трубки, скопления или массы спеченного, остеклененного или расплавленного грунта, песка, горных пород, органических остатков и других отложений, которые иногда образуются при ударе молнии в землю. Если фулгурит состоит из кремнезема, он классифицируется как разновидность минералоида лехателиерита. При обычных разрядах молнии отрицательной полярности от облака к земле преодолевается разность потенциалов более 100 миллионов вольт (100 МВ). Такой ток может распространяться в кварцевый песок, богатый кремнеземом, смешанную почву, глину или другие осадочные породы, быстро испаряя и расплавляя устойчивые материалы в типичном режиме рассеивания энергии. В результате формируются, как правило, полые и/или везикулярные, разветвленные структуры из стеклянных трубок, корок и сплошных масс. Фулгуриты не имеют фиксированного состава, поскольку их химический состав определяется физическими и химическими свойствами материала, в который ударила молния. По своей структуре фулгуриты схожи с фигурами Лихтенберга – разветвленными узорами, возникающими на поверхности изоляторов при диэлектрическом пробое под воздействием высоковольтных разрядов, таких как молния.
Fulgurites , commonly called "fossilized lightning", are natural tubes, clumps, or masses of sintered, vitrified, or fused soil, sand, rock, organic debris and other sediments that sometimes form when lightning discharges into ground. When composed of silica, fulgurites are classified as a variety of the mineraloid lechatelierite. When ordinary negative polarity cloud ground lightning discharges into a grounding substrate, greater than 100 million volts (100 MV) of potential difference may be bridged. Such current may propagate into silica rich quartzose sand, mixed soil, clay, or other sediments, rapidly vaporizing and melting resistant materials within such a common dissipation regime. This results in the formation of generally hollow and/or vesicular, branching assemblages of glassy tubes, crusts, and clumped masses. Fulgurites have no fixed composition because their chemical composition is determined by the physical and chemical properties of whatever material is being struck by lightning. Fulgurites are structurally similar to Lichtenberg figures, which are the branching patterns produced on surfaces of insulators during dielectric breakdown by high voltage discharges, such as lightning.
Описание
Фулгуриты образуются, когда молния ударяет в землю, сплавляя и витрифицируя минеральные зерна. Основной фазой SiO2 в обычных трубчатых фулгуритах является лехателиерит – аморфное стекло кремния. Многие фулгуриты демонстрируют признаки кристаллизации: помимо стекол, многие из них частично протокристаллические или микрокристаллические. Поскольку фулгуриты обычно имеют аморфную структуру, они классифицируются как минералоиды. Материальные свойства фулгуритов (размер, цвет, текстура) сильно варьируются в зависимости от силы удара молнии, а также состава и влажности поверхности, в которую она попала. Большинство природных фулгуритов имеют цвет от белого до черного. Железо – распространенная примесь, которая может придавать глубокий коричневато-зеленый оттенок. Лехателиерит, аналогичный фулгуритам, также может быть получен в результате контролируемого (или неконтролируемого) электрического дугового разряда в среде. Оборванные высоковольтные линии электропередач создали ярко окрашенные лехателиериты из-за включения меди или других материалов из самих линий. Ярко окрашенные лехателиериты, похожие на фулгуриты, обычно синтетические и отражают включение искусственных материалов. Однако молния может ударять в искусственные объекты, образуя цветные фулгуриты. Внутренняя поверхность фулгуритов типа I обычно гладкая или покрыта мелкими пузырьками, а внешняя – грубыми осадочными частицами или небольшими камнями. Другие типы фулгуритов обычно везикулярные и могут не иметь открытой центральной трубки; их внешняя поверхность может быть пористой или гладкой. Разветвленные фулгуриты демонстрируют фрактальное самоподобие и структурную масштабную инвариантность в виде макро- или микроскопической сети корнеподобных ветвей и могут проявлять такую текстуру без центральных каналов или явного отклонения от морфологии окружающей среды или объекта удара (например, слоистые расплавы, скальные фулгуриты). Фулгуриты обычно хрупкие, что затрудняет сбор крупных образцов в полевых условиях. Фулгуриты могут превышать 20 сантиметров в диаметре и проникать глубоко в подпочву, иногда встречаясь на расстоянии ниже поверхности удара, хотя они также могут образовываться непосредственно на осадочной поверхности. Один из самых длинных фулгуритов, найденных в наше время, имел длину чуть более и был обнаружен на севере Флориды. В музее естественной истории Йельского университета Пибоди экспонируется один из самых длинных известных сохранившихся фулгуритов, длиной около. Чарльз Дарвин в "Путешествии "Бигля" отметил, что трубки, подобные найденным в Дригге, Камберленд, Великобритания, достигали длины. Фулгуриты озера Уиненс (озеро Уиненс, округ Ливингстон, штат Мичиган) простирались прерывисто на протяжении 30 м и, вероятно, включают в себя самую большую массу фулгурита, когда-либо обнаруженную и описанную: ее самый большой участок имеет длину около 16 футов (4,88 м) и диаметр 1 фут (30 см). Пиковые температуры в канале молнии превышают 30 000 К, при достаточном давлении для образования плоскостных деформационных структур в SiO2 – разновидности полиморфизма, также известной как ударный кварц.
Палеоэкологический показатель
Наличие фулгуритов в определенной местности может быть использовано для оценки частоты молний за определенный период времени, что может помочь в понимании прошлых региональных климатов. Палеомолниеведение – это изучение различных индикаторов прошлых ударов молнии, прежде всего в форме фулгуритов и сигнатур остаточной намагниченности, вызванной молнией (LIRM). Впоследствии в фулгуритах были обнаружены и другие материалы, включая высоковосстановленные сплавы кремния (силициды), аллотропные модификации фуллерена C60 (букминстерфуллерены) и C70, а также высокотемпературные полиморфы SiO2. В фулгуритах также идентифицированы восстановленные фосфиды в виде шрайберсита (Fe3P и (Fe,Ni)3P) и фосфида титана(III). Эти восстановленные соединения в иных условиях редки на Земле из-за присутствия кислорода в земной атмосфере, создающего окислительные условия на поверхности.
История
Фулгуритные трубки были упомянуты еще персидскими учеными Авиценной и Аль-Бируни в XI веке, не зная об их истинном происхождении. На протяжении последующих столетий фулгуриты описывались, но неверно интерпретировались как результат подземных пожаров, и им ошибочно приписывались целебные свойства, например, Леонхардом Давидом Германном в 1711 году в его труде "Maslographia". Другие известные естествоиспытатели, среди которых были Чарльз Дарвин, Гораций Бенедикт де Соссюр и Александр фон Гумбольдт, обращали внимание на фулгуриты, но не обнаружили связи с молнией. Лишь в 1805 году земледелец Хенцен и минералог и горный инженер Иоганн Карл Вильгельм Войт установили истинный процесс образования фулгуритов в результате ударов молнии в землю, а в 1817 году это было опубликовано и подробно задокументировано минералогом и горным инженером Карлом Густавом Фидлером в "Annalen der Physik".