211service.com
Hvordan sandstorme genererer spektakulære lynskærme
Et af de fascinerende træk ved vulkanske skyfaner er de ekstraordinære visninger af lyn, de genererer. Lignende udledninger forekommer i sandstorme og i støvet, der blæses op af helikoptere, der flyver over ørkener og forårsager farlige buedannelser. Disse tordenvejr er lige så forvirrende, som de er spektakulære.
Der er to dele af problemet. For det første er sandpartikler mere eller mindre identiske i størrelsesform og kemi. Hvordan overfører de så afgift mellem dem? For det andet er sandpartikler isolatorer, ikke ledere, hvilket gør det dobbelt underligt, at de kan være involveret i overførslen af så massive mængder ladning. Hvad i alverden foregår der?
I dag siger Thomas Pähtz ved det schweiziske føderale teknologiske institut i Zürich og et par kammerater, at de kan forklare det hele med en vildledende enkel ny model. Desuden giver deres model nogle enkle forudsigelser om, hvordan sandpartikler overfører ladning.
Her er deres idé. De begynder med at tænke på sandpartikler som identiske dielektriske sfærer. I et elektrisk felt bliver dielektriske partikler polariseret, hvilket får ladningen til at samle sig på hver side af sandkuglerne. Når to sfærer berører hinanden, omfordeles ladningen over grænsen mellem dem, hvilket skaber en større, dobbelt polariseret partikel. Nøgleideen er, hvad der sker, når dette går i to igen: hver partikel ender med en nettoladning (se billedet ovenfor). Polariseringsprocessen begynder derefter igen, hvilket gør det muligt for partiklerne at øge deres ladning endnu mere ved hver kollision. Det er ikke svært at se, hvordan et relativt lille antal kollisioner kan ende med at overføre enorme mængder ladning på denne måde på trods af fraværet af nogen form for ledende medium.
Denne model giver nogle interessante forudsigelser om den hastighed, hvormed en sky af sand skal pumpe opladning. For eksempel forudsiger den, at lavvandede støvskyer kun vil ende med at blive opladet svagt. Dette er, hvad du kan forvente af svag vind eller kraftige korn. På samme måde bør meget tykke skyer kun resultere i svag opladning. Pahtz og co siger dog, at i mellemskyer skulle der være dramatisk opladning. Og ganske rigtigt, det er præcis, hvad de finder, både i numeriske simuleringer af støvskyer og i faktiske eksperimenter, de har udført med ægte sand.
Vi finder som forudsagt, at lavvandede ophidsede lejer - som man kunne forvente i svag vind eller for kraftige korn - lader svagt, ligesom meget dybt omrørte lejer - som man kunne forvente for meget dissipative materialer. Under mellemliggende forhold observerer vi dog dramatisk opladning, hvor de højst ladede partikler fortrinsvis findes tæt på toppen af det agiterede leje, siger de.
Det er en elegant idé, der giver nogle fascinerende resultater. Men det lader et meget vigtigt spørgsmål stå åbent. I rigtige storme, hvad genererer det elektriske felt, der polariserer sandpartiklerne i første omgang? Det ser ud til, at Pahtz og co vil have en interessant tid forude at komme til bunds i den.
Ref: http://arxiv.org/abs/1003.5188 Hvorfor genererer partikelskyer elektriske ladninger?