Forskere kvantificerer de ændringer, som lyn inspirerer i rock

Benjamin Franklin, grundlægger af University of Pennsylvania, menes at have eksperimenteret med lynets kraftfulde egenskaber ved hjælp af en drage og nøgle, sandsynligvis tæt på at elektrocutere sig selv i processen.

I et nyt sæt eksperimenter hos Penn, forskere har undersøgt lynets kraft på en mindre risikabel, men meget mere teknologisk avanceret måde.

Chiara Elmi, en postdoc-forsker i Penns Department of Earth and Environmental Science i School of Arts &Sciences, ledet arbejdet, som brugte en række teknikker til at undersøge en fulgurit, et tyndt lag glas, der dannes på overfladen af ​​sten, når lynet rammer den. Blandt andre fund, undersøgelsen opdagede, at baseret på det krystallinske materiale i prøven, minimumstemperaturen, ved hvilken fulguritten blev dannet, var ca. 1, 700 grader Celsius.

"Folk har brugt morfologiske og kemiske tilgange til at studere sten fulguritter, men dette var første gang en bjergart fulgurit blev klassificeret fra et mineralogisk synspunkt, " sagde Elmi. "Jeg var i stand til at tilpasse en tilgang, som jeg før har brugt til at studere virkningerne af meteoritnedslag i klipper og sedimenter for at analysere en lille mængde materiale for at forstå de faseovergange, der opstår, når et lyn rammer en klippe."

Elmi samarbejdede om arbejdet med seniorforfatter Reto Gieré, professor og formand for Institut for Jord- og Miljøvidenskab, sammen med afdelingens Jiangzhi Chen, en postdoc forsker, og David Goldsby, en lektor.

Deres papir vil blive offentliggjort i tidsskriftet Amerikansk mineralog .

I en undersøgelse offentliggjort sidste år, Gieré karakteriserede en sten fulgurit fundet i det sydlige Frankrig, fandt ud af, at lynet, der ramte det, transformerede klippelaget under fulguritten på atomniveau, producerer kontrollampe strukturer kaldet stødlameller.

Holdet ønskede at forfølge en anden studieretning i det nye arbejde.

"I dette tilfælde, " sagde Gieré, "vi ville i stedet studere glaslaget mere detaljeret for at finde ud af, hvad de tilstedeværende mineraler kunne fortælle os om lynets temperatur."

For at gøre det, Elmi udførte en røntgendiffraktionsanalyse, som indsamler information om den måde, som røntgenstråler interagerer med krystallinske materialer for at udlede mineralindholdet i en given prøve. Udfordringen i dette tilfælde, imidlertid, var, at en typisk røntgendiffraktionsanalyse kræver omtrent et gram materiale, og mængden af ​​den 10 mikrometer tykke fulgurit var ikke nær så betydelig.

For at tilpasse teknikken til en mindre mængde prøve, Elmi satte materialet i en smal, roterende kapillarrør og justerede diffraktionsoptikken for at justere, koncentrere og rette røntgenstrålen mod prøven. Analysen af ​​fulguritten afslørede tilstedeværelsen af ​​glas såvel som cristobalit, et mineral med samme kemiske sammensætning af kvarts, men med en tydelig krystalstruktur. Cristobalite dannes kun ved meget høj temperatur, og glasset indikerede, at det øverste lag af granit smeltede under lynnedslaget. Elmis analyse gjorde det muligt for hende at kvantificere glasset og de resterende mineraler i en stenfulgurit for første gang.

"Disse to signaturer indikerer et system, der modtog et chok af høj temperatur, " sagde Elmi. "Denne analyse indikerer også den minimale temperatur, du har for at skabe glasset, fordi cristobalit danner omkring 1, 700 Celsius, så du ved, at denne temperatur blev opnået, da lynet ramte klippen."

Den målte temperatur af lyn i luften er faktisk meget højere - målt til omkring 30, 000 grader Celsius - men denne analyse indikerer, at selve klippen blev hævet fra omgivende temperaturer til mindst 1, 700 Celsius.

Holdet udførte yderligere analyser på fulguritprøven. De fandt organisk materiale i prøven, hvilket indikerer, at lynet brændte lav eller mos, der voksede på overfladen af ​​klippen og derefter fangede det inde i materialet.

"Dette er en ekstrem hurtig begivenhed, " sagde Gieré. "Stenen opvarmes meget hurtigt og afkøles også meget hurtigt. Det fanger gasser i glasset, og nogle af disse gasser blev dannet ved forbrænding af organisk materiale."

I fremtidige undersøgelser, holdet håber at udvikle en komplet model af, hvad der sker med sten under et lynnedslag, inkorporering af kemikalier, fysisk, biologiske og mineralogiske observationer. De bemærker, at folk som Franklin, der oplever næsten-ulykker med lyn, faktisk er heldige.

"Det er forbløffende, at et lyn kan gøre granit smeltet og fuldstændig ændre dens struktur, alligevel overlever nogle mennesker lynnedslag, " sagde Gieré.