211service.com
Hoe zandstormen spectaculaire bliksemschichten genereren
Een van de fascinerende kenmerken van vulkanische wolkenpluimen is de buitengewone weergave van bliksem die ze genereren. Soortgelijke lozingen vinden plaats in zandstormen en in het stof dat wordt opgeblazen door helikopters die over woestijnen vliegen en gevaarlijke vonken veroorzaken. Deze bliksemstormen zijn even raadselachtig als spectaculair.
Het probleem bestaat uit twee delen. Ten eerste zijn zanddeeltjes min of meer identiek, qua grootte, vorm en chemie. Hoe dragen ze dan de kosten tussen hen over? Ten tweede zijn zanddeeltjes isolatoren, geen geleiders, wat het dubbel vreemd maakt dat ze betrokken kunnen zijn bij de overdracht van zulke enorme hoeveelheden lading. Wat is er in hemelsnaam aan de hand?
Vandaag zeggen Thomas Pähtz van het Zwitserse Federale Instituut voor Technologie in Zürich en een paar vrienden dat ze de hele zaak kunnen uitleggen met een bedrieglijk eenvoudig nieuw model. Bovendien doet hun model enkele rechttoe rechtaan voorspellingen over de manier waarop zanddeeltjes lading overdragen.
Hier is hun idee. Ze beginnen door zanddeeltjes te zien als identieke diëlektrische bollen. In een elektrisch veld worden diëlektrische deeltjes gepolariseerd, waardoor ladingen zich aan weerszijden van de zandbollen verzamelen. Wanneer twee bollen elkaar raken, herverdeelt de lading zich over de grens ertussen, waardoor een groter, dubbel gepolariseerd deeltje ontstaat. Het belangrijkste idee is wat er gebeurt als dit weer in tweeën breekt: elk deeltje eindigt met een nettolading (zie afbeelding hierboven). Het proces van polarisatie begint dan opnieuw, waardoor de deeltjes hun lading bij elke botsing nog verder kunnen vergroten. Het is niet moeilijk in te zien hoe een relatief klein aantal botsingen op deze manier grote hoeveelheden lading zou kunnen overbrengen, ondanks het ontbreken van enig geleidend medium.
Dit model doet enkele interessante voorspellingen over de snelheid waarmee een zandwolk lading zou moeten oppompen. Het voorspelt bijvoorbeeld dat ondiepe stofwolken uiteindelijk slechts zwak geladen zouden worden. Dit is wat je zou verwachten van zwakke wind of zware granen. Evenzo zouden zeer dikke wolken alleen moeten leiden tot een zwakke oplading. Pahtz en co zeggen echter dat er in tussentijdse wolken een dramatische oplading zou moeten zijn. En ja hoor, dat is precies wat ze vinden, zowel in numerieke simulaties van stofwolken als in daadwerkelijke experimenten die ze met echt zand hebben uitgevoerd.
We vinden, zoals voorspeld, dat ondiepe geagiteerde bedden - zoals te verwachten is bij zwakke wind of voor zware korrels - zwak opladen, net als zeer diepe geagiteerde bedden - zoals zou worden verwacht voor sterk dissipatieve materialen. Onder tussenliggende omstandigheden zien we echter een dramatische oplading, waarbij de meest geladen deeltjes bij voorkeur worden gevonden in de buurt van de bovenkant van het geagiteerde bed, zeggen ze.
Dat is een elegant idee dat fascinerende resultaten oplevert. Maar het laat een zeer belangrijke vraag open. Wat genereert bij echte stormen het elektrische veld dat de zanddeeltjes polariseert? Het lijkt erop dat Pahtz en co een interessante tijd zullen hebben om die tot op de bodem uit te zoeken.
Referentie: http://arxiv.org/abs/1003.5188 Waarom genereren deeltjeswolken elektrische ladingen?