Ein Mysterium Des Sandsturmblitzes Erklärt

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Wie sandstürme spektakuläre blitze erzeugen, ist bis heute ein rätsel geblieben.

Sandstürme können spektakuläre Blitze erzeugen, aber wie sie das tun, ist ein Rätsel.

Durch die Entschlüsselung der Geheimnisse, wie Funken in diesen Stürmen fliegen, wie Wissenschaftler es jetzt tun, könnten Wissenschaftler mit allen möglichen Problemen fertig werden, von geladenen Teilchenwolken, die verheerende Explosionen in der Lebensmittel-, Drogen- und Kohleindustrie verursachen können, um den Staub zu belasten könnte wichtige Sonnenkollektoren auf Missionen zum Mond oder Mars verschleiern.

Sand ist ein Isolator, wenn man also sieht, wie Sandstürme Blitze erzeugen, wäre das so, als würde man Strom aus einem Sturm voller Gummibälle sehen. Seit mehr als 150 Jahren ist es ein Rätsel, wie Sandkörner die enorme Menge an elektrischer Ladung übertragen können, die zum Blitzen erforderlich ist.

"Es ist wirklich überraschend, dass wir trotz unserer Illusionen die einfachsten Effekte, die Faraday, Kelvin, Maxwell und andere dazu führten, Elektromagnetismus überhaupt erst zu studieren, wirklich nicht verstehen", sagte der Physiker Troy Shinbrot von der Rutgers University.

Nun glauben Shinbrot und seine Kollegen, ein einfaches neues Modell könnte helfen, einen Aspekt dieses Rätsels zu lösen.

"Wir kehren zu den Wurzeln der Physik zurück, und wir finden sie reich an unerforschten Verhaltensweisen, die seit Jahrhunderten schmachten", sagte Shinbrot.

Wie es funktioniert

Unter der Annahme eines elektrischen Feldes werden runde Teilchen innerhalb des aus Isolatoren bestehenden Feldes polarisiert - das heißt elektrische Ladung sammelt sich auf jeder Seite der Kugeln. Wenn zwei solcher Teilchen voneinander abprallen, werden die Ladungen in jeder Kugel so umgeordnet, dass sie doppelt so polarisiert sind wie zuvor. Da sich diese Teilchen immer wieder gegenseitig abspulen, können große Ladungsmengen übertragen werden, selbst wenn keinerlei leitendes Medium vorhanden ist.

Dieses Modell sagt voraus, dass dünne Staubwolken nur schwache Ladungen aufbauen, was sinnvoll ist, da dünne Wolken nur aus wenigen Teilchen zusammenstoßen. Überraschenderweise bauen dicke Wolken mit vielen Partikeln jedoch auch nur schwache Ladungen auf, aufgrund eines Phänomens, das als "granularer Kollaps" bezeichnet wird.

"In einer dicken Wolke kollidieren Partikel mit vielen Nachbarn, aber da jede Kollision Energie kostet, verlieren die Partikel schnell Energie, und eine detaillierte Berechnung zeigt, dass jedes Partikel in einer dicken Wolke weniger Kollisionen pro Zeiteinheit durchläuft als in einer moderaten Dickenwolke." Sagte Shinbrot. "Diese" Peinlichkeit des Reichtums "ist nicht intuitiv, aber Berechnungen, Simulationen und Experimente scheinen die Wirkung zu bestätigen."

In mittleren Wolken kann es jedoch zu einer dramatischen Aufladung kommen. Experimente, die die Forscher mit farbigen Glasperlen und elektrischen Feldern durchgeführt haben, unterstützen ihr Modell.

Putting es zu verwenden

Diese Ergebnisse könnten zu Methoden führen, um unerwünschte Ladungen vom Aufbau abzuleiten - "zum Beispiel in einer Industrieanlage, wo geladene Teilchen zu gefährlichen Explosionsbedingungen führen können", sagte Shinbrot.

Erstens könnte man ein bescheidenes elektrisches Feld anlegen, um die geladenen Teilchen auf Oberflächen anzuziehen, um ihre Ladung zu neutralisieren. Zweitens könnte es möglich sein, Wege zu finden, um das Aufladen in Staubwolken zu minimieren. Beispielsweise könnte man eine Wolke mit benutzerdefinierten Partikeln aussäen, die das Aufladen abkühlen helfen.

Ein Geheimnis bleibt - was in der Natur erzeugt das elektrische Feld, das den Sand überhaupt polarisiert?

"Äußere Felder von nahegelegenen Gewittern werden beispielsweise aufgezeichnet, um Körner aufzuladen, aber in der Wüste gibt es normalerweise keine solche externe Quelle", sagte Shinbrot. "Dies ist eine unbeantwortete Frage."

Shinbrot und seine Kollegen detaillierten ihre Ergebnisse am 11. April online in der Fachzeitschrift Nature Physics.

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