Generación experimental de fulgurita en condiciones realistas de descarga de rayos.

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 11685 (2023) Citar este artículo

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Las fulguritas se han documentado en depósitos geológicos a lo largo de la historia de la Tierra. También se les ha asignado un papel potencial en la química prebiótica como fuente de reactivos. Las fulguritas se generan en la naturaleza por la caída de rayos desde la nube hasta el suelo. La imprevisibilidad en el espacio y el tiempo de la ocurrencia de rayos ha limitado la investigación tanto de los mecanismos como de las condiciones bajo las cuales se forman las fulguritas. Un enfoque basado en laboratorio puede mitigar estas limitaciones. Aquí, describimos fulguritas generadas experimentalmente a partir de ceniza volcánica de Laacher See. Empleamos una fuente de CC con una configuración de disparo-pulso en un laboratorio de alto voltaje, cuyas capacidades permiten condiciones experimentales que se corresponden estrechamente con las características eléctricas de los rayos naturales. Las fulguritas generadas experimentalmente se parecen mucho a las fulguritas naturales tanto en estado como en textura. Estas investigaciones experimentales arrojan una alta reproducibilidad de las características de las fulguritas generadas en condiciones bien restringidas, lo que permite hacer algunas inferencias sobre los procesos involucrados en la generación de fulguritas en la naturaleza. Este trabajo proporciona una base para una caracterización sistemática de las fulguritas experimentales y las características de las descargas de rayos.

Las fulguritas, de la palabra latina para rayo: fulgur, generalmente toman la forma de tubos irregulares vítreos naturales generados por la caída de un rayo en la arena, el suelo o la roca. Las fulguritas naturales fueron descritas por primera vez (en sedimentos arenosos) por Herman en 17061, y se ha especulado que la fulgurita más antigua encontrada hasta la fecha, sobre la base de las rocas fosilíferas del Carbonífero que recubren el huésped, es de edad Pérmica2. Las fulguritas presentes en la Tierra se forman por la caída de rayos entre las nubes y el suelo (ya sea por tormentas eléctricas o erupciones volcánicas) o como resultado de accidentes que involucran líneas de transmisión eléctrica3,4,5. Las fulguritas naturales han sido exploradas en términos de sus estados morfológicos y químicos6,7,8,9, incluida la descripción de la mineralización a alta temperatura10, la reconstrucción de la paleoecología11 y la evaluación de la disponibilidad de fuentes químicas para la química prebiótica12,13,14. .

Las fulguritas generadas experimentalmente también se han descrito brevemente en algunos estudios de viabilidad preliminares15,16,17,18,19,20. Estas valiosas investigaciones científicas pioneras generalmente no han estado sujetas a los protocolos estándar de la comunidad de investigación de rayos naturales y generalmente carecen de la reproducibilidad y precisión de un enfoque sistemático. Las razones generalmente residen en las tecnologías experimentales empleadas. La corriente generada por la batería de la jarra de Leyden (aprox. 20-60 kV) fue, por ejemplo, insuficiente para crear fulguritas muy parecidas a las naturales15,16. A las configuraciones de experimentos posteriores les faltaba inductividad17 y/o producían únicamente un componente de carrera de primer retorno (el componente de la descarga del rayo vital para romper la intensidad del campo dieléctrico del material original)18,21. El pulso que generaron utilizando la forma de onda sinusoidal ayuda a la ruptura dieléctrica de la muestra, generando finalmente la fusión, pero no es suficiente para reproducir la morfología típica de las fulguritas19. La corriente producida (50 A) por el simulador de electrofusión durante 200 a 300 ms utilizado por Castro et al.20 estuvo muy por debajo de la condición actual de un rayo natural (~30 kA para polaridad negativa y ~300 kA para destellos de polaridad positiva22).

La configuración experimental utilizada en nuestro estudio (fuente de CC con pulso de disparo) ha sido diseñada y construida para garantizar el cumplimiento de las recomendaciones de la comunidad de investigación de rayos para estudios de rayos (por ejemplo, formas de onda IEC 6230523) y está ubicada en la Universität der Bundeswehr (UniBw). , Munich, Alemania. Una ventaja importante de esta configuración es que estos experimentos se pueden reproducir fácilmente y con mucha precisión.

Aquí utilizamos una ceniza volcánica del campo volcánico de Laacher See, en el este de Eifel, Alemania, como material prístino para la generación de las fulguritas experimentales y describimos sistemáticamente su mecanismo de formación y sus características en función de las diferentes condiciones de las descargas.

Aquí, definimos algunas características básicas de las fulguritas naturales para facilitar la comparación de las fulguritas naturales con sus contrapartes experimentales. Las fulguritas naturales pueden exhibir diversas composiciones y colores, que dependen de la química prístina del material, las posibles interacciones y reacciones y la difusión química entre las fases en contacto al fundirse. Estas fulguritas comparten algunas características morfológicas generales; comúnmente exhiben estructuras de sección transversal subcircular caracterizadas por un vacío central (ya sea abierto, parcialmente cerrado o cerrado) que representa la ruta de propagación del rayo hacia el material objetivo. Sus longitudes varían desde centímetros hasta varios metros, con espesores de pared variables. La geometría del vacío central puede revelar morfologías tortuosas con ramificaciones que reflejan caminos conductores secundarios a lo largo de la dirección principal de propagación de la descarga luminosa. Las superficies externas de las fulguritas naturales suelen mostrar una textura rugosa y pueden estar parcialmente cubiertas con restos de material prístino y cristales parcialmente fundidos que se adhieren a la masa fulgurítica derretida. Por el contrario, las superficies interiores de las fulguritas generalmente exhiben una superficie vítrea lisa que rodea el vacío central. En la superficie del volumen vítreo de la fulgurita se pueden encontrar restos de cristales parcialmente fundidos. En la Fig. 1 se presenta una muestra natural representativa de fulgurita del desierto del Sahara en África24 y una vista transversal y longitudinal general que ilustra las características morfológicas fundamentales de una fulgurita.

(a) Un ejemplo de fulgurita natural (es decir, arena) del desierto del Sahara. (b) Vistas transversales y longitudinales representativas de una fulgurita natural con descripción morfológica detallada. El cuadrado naranja en la vista longitudinal corresponde al área donde se presentan las imágenes BSE de las fulguritas generadas en las figuras 4a-e.

Simulamos la descarga de un rayo en un recipiente de muestra aislado mediante una fuente de CC con una configuración de pulso de disparo (Fig. 2a). La configuración de CC simula los efectos de las descargas de corrientes de rayos naturales en condiciones controladas y altamente reproducibles. Los elementos principales de la instalación son un generador Marx, un sistema de baterías (fuente de CC) que consta de 60 baterías de plata, plomo y ácido de 12 V conectadas en serie (720 V–600 A), disyuntores e interruptores, un controlador de conmutación. y un circuito de seguridad extensor (Fig. 2a). La configuración está diseñada para representar los principales componentes de corriente del rayo natural25, a saber: (1) primer golpe de retorno, que tiene las amplitudes de corriente más altas, típicamente del orden de 103 A, con una duración de hasta varios 100 µs; (2) carrera de retorno posterior, que es menor en amplitud y duración pero a menudo con una corriente significativamente mayor (hasta unos pocos 100 kA/μs); (3) la corriente continua de larga duración, que presenta amplitudes de corriente mucho más bajas, de sólo unos pocos 100' A26, pero de una duración mucho más larga (generalmente dura hasta 100 ms). En nuestra configuración, la primera carrera de retorno se inicia mediante un impulso de voltaje, utilizando el generador Marx (corrientes de impulso de 1500 a 5000 A durante aproximadamente 100 µs) para activar la vía de chispa entre los electrodos ubicados en el recipiente de muestra aislado, permitiendo así la ruptura de la rigidez dieléctrica del material objetivo. A continuación, la fuente de CC inicia la producción de corriente continua de larga duración. Se disponen dos disyuntores para detener esta corriente en un tiempo preestablecido. En nuestros experimentos simulamos descargas positivas de rayos cargando positivamente el electrodo superior mientras que el inferior está cargado negativamente. Las descargas negativas también se pueden simular con la misma configuración y producir fulguritas que no muestran diferencias significativas con las generadas por las descargas positivas. Sin embargo, por razones prácticas se prefiere la generación de fulgurita mediante descargas positivas durante la preparación de los experimentos. Se puede ver un vídeo de un experimento muy similar en Çalışkanoğlu et al.14.

Vista esquemática de la configuración experimental. (a) Diagrama de circuito de la fuente de CC con configuración de pulso de disparo e imagen 3D del recipiente de muestra. El primer golpe de retorno (i1) indica el componente de la primera carrera de retorno del rayo y la corriente continua de larga duración (i2) indica el componente de corriente continua del rayo. (b) Una vista en sección del recipiente de muestra cilíndrico.

El recipiente de muestra aislado tiene dos recipientes cilíndricos coaxiales hechos de tubos de plexiglás de 3 mm de espesor: el tubo interior (alto (h): 200 mm y diámetro (D): 120 mm) contiene la muestra, mientras que el tubo exterior (h: 60 mm y D: 60 mm) evita la movilización y dispersión de la muestra en el espacio del laboratorio cuando es golpeada por la descarga (Fig. 2b).

Las placas de disco cilíndricas poliméricas, eléctricamente no conductoras y mecánicamente resistentes, están ubicadas en tres posiciones dentro del recipiente de muestra (superior, media e inferior). Las placas superior e inferior son fijas, mientras que la placa intermedia está diseñada para ser móvil, lo que permite ajustar la distancia entre electrodos para optimizar las condiciones experimentales y contener así las consecuencias de cualquier choque mecánico abrupto en el recipiente durante los experimentos. La descarga del rayo se genera entre dos electrodos con diferentes geometrías: un electrodo superior en forma de bala (h: 27,42 mm y D: 13 mm) unido a la placa intermedia y un electrodo inferior en forma de cúpula (h: 19 mm y D: 46 mm) fijado a la placa inferior.

Todos los experimentos se realizaron a temperatura y presión atmosféricas. Las condiciones ambientales en el laboratorio se midieron periódicamente mediante un termohigrómetro y barómetro de precisión GFTB 100, que mostró un ambiente estable (T: ~ 19,2 °C ± 0,2, P: ~ 946 hPa ± 10 y HRmedia: ~ 50,0% ± 0,6 ) durante los experimentos.

Se realizaron tres experimentos de prueba para ajustar la distancia entre los electrodos y determinar la cantidad óptima de material objetivo para llenar el tubo interior. Posteriormente, se realizaron seis experimentos en condiciones experimentales similares (i1: hasta unos pocos 100 kA/μs e i2: 220 A–350 A) pero con duración variable (0, 100, 200, 300, 400 y 500 ms). La duración más baja de la corriente continua permitida por nuestra configuración es de 100 ms, que también está cerca de la duración promedio (casi 150 ms) para la corriente continua de larga duración producida por rayos naturales, como afirman Brook et al.27. Se realizaron experimentos de 200 a 500 ms para examinar la duración del efecto de la corriente continua extremadamente prolongada sobre la estructura de las fulguritas. De ahora en adelante nos referiremos a los experimentos como T0, T100, T200, etc. según la duración característica de la fase de corriente continua. El experimento T0 se realizó golpeando la muestra solo con el primer golpe de retorno sin fase de corriente continua. El tubo interior se llenó con 200 g de material objetivo para cada experimento y todos los experimentos se realizaron con nuevos lotes de muestra. La separación de los electrodos se mantuvo constante en 50 mm para todos los experimentos. Vale la pena señalar que la distancia fija entre los electrodos determina en gran medida la longitud máxima de las fulguritas experimentales. En la figura 3a se puede ver una forma de onda eléctrica esquemática generada por la configuración para cada duración del experimento (formas de onda de corriente con osciloscopio digital: figuras complementarias S1).

(a) Forma de onda eléctrica compuesta esquemática de los componentes experimentales del rayo i1 e i2 para diferentes duraciones del experimento en µs y ms. (b). Una imagen SEM-BSE de un clasto prístino del LSB. (c – g) Imágenes de fulguritas generadas experimentalmente bajo la corriente continua variable de larga duración (100 a 500 ms). El extremo izquierdo de cada fulgurita corresponde a la porción que se adhiere al electrodo inferior en la configuración experimental.

Como material prístino para los experimentos utilizamos partículas de ceniza volcánica previamente tamizadas de piedra pómez de Laacher See, los depósitos "Laacher See Bimse" (en adelante LSB) producidos durante la erupción de 13 años del volcán Laacher See (Eifel, Alemania) proporcionados por ROTEC GmbH. Utilizamos el tamaño de fracción de partículas de LSB entre 90 y 300 µm con la adición de un 3% en peso de ceniza muy fina (<63 µm)28. El LSB es un material multifásico formado principalmente por partículas de vidrio vesiculadas, fragmentos líticos y cristales sueltos29 que presenta porosidad conectada y aislada (Fig. 3b). El material juvenil es de composición fonolítica (SiO2 ~55% en peso; Al2O3 ~20,5% en peso; NaO ~11% en peso; K2O ~5,5% en peso y las principales fases cristalinas (5-8%) son cuarzo, plagioclasa, sanidina, y clinopiroxenos30,31. Los granos de cristal de feldespato y cuarzo constituyen aproximadamente 1% en peso de la composición total en masa y el tamaño medio de la fracción de estos cristales es de 250 µm. La densidad promedio del LSB utilizado aquí se midió en 2,42 ± 0,02 g/cm3 mediante un picnómetro de helio32. Se eligió la ceniza volcánica LSB como material de partida, ya que ha sido ampliamente caracterizada y utilizada en experimentos previos de descarga de rayos28,32,33,34. La distribución del tamaño de grano de LSB se aproxima a la de los sedimentos de limo y arena donde a menudo se encuentran fulguritas. Además, su conjunto mineral contiene cuarzo y feldespatos, que son minerales comunes en los sedimentos. Por lo tanto, este material granular volcánico ofrece la ventaja de estudiar la modificación física y química de sus componentes de vidrio y granos de cristal tras reacciones de fusión inducidas por rayos.

Generamos 5 fulguritas en 6 experimentos. En el experimento T0 (corriente impulsiva de 100 µs y sin corriente continua) solo se encontró cierta fusión y sinterización parcial de los grupos de partículas. Por el contrario, todos los experimentos caracterizados por corrientes continuas de larga duración (T100 y T200, etc.) generaron fulguritas (Fig. 3c-g). La superficie exterior de todas las fulguritas exhibe el color marrón rojizo del material prístino. La mayor parte de la superficie de cada fulgurita está cubierta por restos de material prístino y cristales parcialmente fundidos. Las fulguritas de los experimentos T100 a T400 tienen una longitud similar de 45 mm, mientras que la fulgurita T500 tiene una longitud de 35 mm, es decir, 5 y 15 mm más corta que la distancia entre los electrodos, respectivamente. Los espesores del área no fundida y parcialmente fundida de las fulguritas varían hasta 0,6 mm y 0,5 mm, respectivamente, y el área del vidrio presenta un espesor variable en general, independientemente de la duración del experimento. El vacío principal también exhibe un diámetro variable en diferentes partes de la fulgurita reflejando su geometría irregular. El diámetro medio de las fulguritas T100, T200, T300 y T500 es de unos 25 mm, mientras que la fulgurita T400 tiene unos 20 mm de diámetro. Todas las fulguritas exhiben una morfología en forma de tubo, con excepción de T500. Las fulguritas T100, T200 y T500 muestran apófisis (ramas) cortas. Sólo se observa un vacío central abierto en la fulgurita T200. La masa total de las fulguritas (2,432 g—T100, 4,998 g—T200, 6,002 g—T300, 8,370 g—T400 y 9,589 g—T500) muestra un incremento gradual a medida que aumenta la duración de la corriente continua.

Todas las fulguritas se han seccionado longitudinalmente (es decir, paralelas a la dirección de la descarga del rayo). En la Fig. 4a, e se muestran secciones transversales desde el área vítrea (centro) hasta el área externa. Los cristales parcialmente derretidos se detectan en áreas parcialmente derretidas y vítreas. Están constituidos principalmente por cuarzo con óxido de Fe y feldespato potásico en menor proporción, mientras que no se observaron cristales de piroxeno residuales (Fig. 4 h, j). Los otros óxidos (es decir, compuestos de cobre y wolframio) también se encuentran y su tamaño (< 103 nm) es pequeño y resulta difícil de resolver en las imágenes de BSE. El tamaño y la fracción de estos cristales y óxidos no muestran cambios al aumentar la duración del experimento, ni exhiben una distribución espacial específica.

(a – e) Imágenes BSE de la mitad de la cara de cada fulgurita cortada como se indica en la Fig. 1b. Las líneas discontinuas amarillas en las imágenes marcan las transiciones entre dominios de textura. (f – j) Imágenes de los cristales parcialmente fundidos en el área vítrea de las fulguritas. qtz Cuarzo, fds Feldespato, FeO Óxidos de hierro, área vítrea GL, área parcialmente fundida PM, área no fundida UM.

Se observan vacíos en todas las fulguritas. No se encontró correlación entre su tamaño, número y distribución espacial con la duración de cada experimento. Muestran una forma compleja debido a la presencia de cristales parcialmente fundidos. Algunos de los vacíos también parecen fusionados. Se agrupan predominantemente para formar una capa entre las áreas vítreas y parcialmente derretidas, pero también se detectan algunos huecos dentro de las áreas vítreas. Los huecos en la zona vítrea tienen hasta 20 mm de longitud, mientras que los huecos entre las zonas no fundidas y parcialmente fundidas tienen hasta 0,7 mm de longitud. (Figura 4c).

Para cuantificar la densidad y la porosidad en función de la duración de la fusión, utilizamos el análisis de imágenes 2D (BSE) como representativo de la vesicularidad 3D combinado con datos de picnometría de helio (Fig. 5a, b; Tabla complementaria S1). La densidad del material prístino (vidrio + cristales multifásicos) es 2,42 ± 0,02 g/cm332. En primer lugar, todo el material prístino adherido a la fulgurita sólida se limpió con un cepillo antes de triturarlo a ≤ 63 µm para la correcta evaluación de los análisis. Las fulguritas (vidrio y cristales parcialmente fundidos, posiblemente cristales menores no fundidos) presentan un valor de densidad de alrededor de 2,48 ± 0,02 g/cm3. La T300 es la menos densa entre todas las fulguritas con alrededor de 2,46 ± 0,007 g/cm3. También se midió el valor de densidad (2,42 ± 0,004 g/cm3) del vidrio LSB sintetizado (vidrio y posibles microcristales menores) para compararlo con todas las muestras de fulgurita y ver la relación de expansión de las fulguritas. Las fulguritas indican una densidad ligeramente mayor que la del LSB y el vidrio LSB sintetizado.

(a) El cálculo de la porosidad a partir del análisis de imágenes 2D de todas las fulguritas. (b) Mediciones de densidad de LSB, vidrio LSB sintetizado y todas las fulguritas. El área marrón representa las densidades de LSB (2,42 ± 0,02 g/cm3) y de vidrio LSB sintetizado (2,42 ± 0,004 g/cm3) para comparación. El error de los valores calculados y medidos para cada ejecución experimental está dentro del tamaño de los símbolos.

Se utiliza un mosaico de una imagen BSE de cada fulgurita para estimar la relación de porosidad. Para igualar la medición de densidad, excluimos los huecos entre las partículas prístinas en el área no fundida. Se encuentra que la relación de porosidad de las fulguritas (área vítrea + parcialmente fundida) se reduce de aproximadamente 47% en T100 a aproximadamente 18% en T500.

Generamos con éxito cinco fulguritas utilizando muestras de ceniza volcánica natural de composición fonolítica y distribución consistente de tamaño de grano (<300 µm) al exponer la ceniza a transitorios impulsivos de alta corriente y duración variable de la corriente continua. Aunque nuestra configuración no permite una observación directa de la formación de las fulguritas, la videografía de los experimentos y una caracterización detallada de las fulguritas resultantes, junto con las condiciones experimentales impuestas, permiten comprender la formación de las fulguritas. Nuestras fulguritas presentan una forma de tubo con una pared de vidrio gruesa y están recubiertas con finas partículas prístinas (cristales + vidrio) y cristales parcialmente fundidos. Estas fulguritas no encajan en la clasificación de fulgurita (Tipo I-arena, II-suelo, III-caliche, VI-roca y V-gota) propuesta por Pasek et al.7. Aunque ese esquema de clasificación aborda la difícil tarea de ordenar la naturaleza compleja de las fulguritas, no incluye las fulguritas de protolitos volcánicos. La composición del material, así como el tamaño y naturaleza de sus componentes -especialmente cuando el protolito está formado por sedimentos incoherentes o rocas clásticas- juegan un papel crucial en la morfología, densidad, porosidad y proporción vítrea de la fulgurita considerando las variaciones en el flujo y duración de la corriente. del rayo.

En el experimento de alta corriente y alto voltaje (hasta unos pocos 100 kA y 150 kV), el material de partida fue expuesto a un evento de alta energía sólo durante un tiempo muy corto (100 µs) y se encontró cierta fusión parcial de los grupos de partículas. Las fulguritas se generaron solo en los experimentos de impulso de corriente y alto voltaje con una corriente continua (220 A–350 A) de duración variable (100–500 ms) (Fig. 3c-g). Los resultados de los experimentos de impulso de alta corriente realizados por Genareau et al.21 también respaldan nuestro hallazgo de que el impulso inicial de alta corriente por sí solo no es suficiente para producir suficiente fusión para generar un cuerpo de fulgurita. En cambio, la adición de una fase de corriente continua prolongada permite la transferencia de energía (calor) necesaria para sostener el proceso de fusión del material prístino y, a menudo, se asocia con incendios provocados por rayos35,36,37. Las corrientes continuas medidas en rayos naturales han revelado duraciones variables y Lapierre et al.38 las denominan muy cortas (3 a 10 ms), cortas (10 a 40 ms) y largas (> 40 ms). Los estudios muestran que, aunque es poco frecuente, la corriente continua después de las carreras de retorno puede durar más de 100 ms y superar los 350 ms38,39. En nuestro estudio, la duración mínima de la corriente continua en la que se observa por primera vez una fusión sustancial es de 100 ms (experimento T100). Esta es también la duración de corriente continua más corta que se puede lograr con nuestra configuración; por lo tanto, no podemos excluir que la fusión ya pueda producirse mediante corrientes continuas más cortas, manteniendo constantes otros parámetros (es decir, composición, distribución del tamaño de grano y separación de los electrodos). Se observa una diferencia sorprendente en la estructura de la fulgurita entre experimentos sin corriente continua y corriente continua de 100 ms (es decir, experimentos T0 y T100, respectivamente). La exposición del material prístino a corrientes continuas más largas (es decir, T200 y T300) no produce cambios estructurales y químicos sustanciales de las fulguritas experimentales en relación con T100.

El estado del material prístino y las características de la descarga del rayo tienen una fuerte influencia en el proceso de formación de las fulguritas. Los vidrios de silicato son materiales objetivo más adecuados para la generación de fulgurita debido a la temperatura de fusión más baja del vidrio en comparación con las temperaturas de fusión de los minerales de silicato. La presencia de materia orgánica (es decir, líquenes, raíces) en el material prístino también puede crear una carga electrostática positiva local a la que se puede adherir el rayo19. Por lo tanto, la materia orgánica quemada podría aumentar la oportunidad de encontrar elementos en su forma reducida (es decir, fósforo) en la composición de la fulgurita40,41. Estos elementos también se consideran una materia sustancial para las formas orgánicas7, lo que hace que la fulgurita sea atractiva para los estudios sobre el surgimiento de la vida. Se debe excluir la presencia de materia orgánica en nuestras muestras prístinas, ya que los granos se obtienen mediante exposición a rocas frescas. Sin embargo, no se puede excluir a priori algún nivel de meteorización química.

Experimentos adicionales de nuestro grupo (no presentados aquí) y Teixeira42, realizados en condiciones eléctricas similares (duración constante del experimento: 500 ms), también han revelado que el aumento de la proporción de granos más grandes en el material objetivo juega un papel vital en la formación de fulgurita. proceso, independientemente de la composición de la fase mineral. Un predominio de los granos más grandes (> 300 µm) en el material prístino parece impedir la conformación de la fulgurita en su forma, mientras que parece no impedir la conformación de la fulgurita cuando se encuentra en cantidades moderadas a bajas. Sin embargo, como se muestra en este estudio, los granos más grandes sufren deformación térmica desde sus límites exteriores (Fig. 4f-j). Por otro lado, Teixeira42 indica que los granos más pequeños (40–150 µm—cuarzo) se fundieron completamente en la formación de la fulgurita. Wadsworth et al.43 también respaldan nuestro hallazgo en el sentido de que los bordes de las partículas de ceniza volcánica más pequeñas (casi 310 µm) se redondearían en el canal del rayo ionizado durante duraciones de calentamiento de 3 ms y temperaturas superiores a 3000 K, mientras que los granos más grandes conservarían su tamaño. forma original. Elmi et al.40 muestran que una roca holocristalina sin triturar (un bloque inalterado de muestra de roca granítica) expuesta a la tensión de la fuente de CA (hasta 150 kV) con una distancia de electrodos de 26,5 cm tampoco generó ninguna masa fundida. Esto indica que después de que el tamaño del grano excede un cierto límite, se inhibe en gran medida la formación de una masa fulgurítica.

La morfología de la fulgurita está altamente asociada con el estado del material prístino. Por ejemplo, el contenido homogéneo del material objetivo disminuye la probabilidad de formación de ramas debido a la baja resistencia de la raíz para las descargas de rayos, mientras que el contenido heterogéneo del material objetivo aumenta la menor resistencia de la raíz y las fulguritas generadas pueden presentar varias ramas de diferentes tamaños. Por lo tanto, en nuestras fulguritas, que se generan a partir de material homogéneo, casi no se encuentran ramas. (Figuras 3e,f).

La longitud media de todas las fulguritas se mide en casi 45 mm, excepto T500, que es de 35 mm. Se ve que la longitud de las fulguritas está limitada al espacio especificado entre los electrodos (50 mm). La relación del diámetro promedio entre la fulgurita (en total casi 25 mm) y el vacío central principal (alrededor de 5 mm) es 5, y es similar para todas las fulguritas experimentales, excepto el experimento de 500 ms. Está claro que un tiempo más largo (corriente continua) aplicado para calentar el material objetivo a la misma distancia de los electrodos no cambia la geometría del tubo de fulgurita hasta que la densidad del material fundido sea capaz de mantener una forma única durante el enfriamiento. Una vez superado este punto, que en el presente estudio es de 500 ms en la composición particular, la estructura del tubo colapsa destruyendo los huecos principales. Por otro lado, sabemos por otros experimentos de prueba que aumentar la distancia de los electrodos tiene un efecto en la reducción del diámetro del vacío central, independientemente de la composición del material objetivo.

La masa aparente de las fulguritas aumenta con la duración de la corriente continua; sin embargo, la densidad de las fulguritas varía en un rango muy estrecho (alrededor de 2,48 ± 0,01 g/cm3). Esto puede explicarse por la estabilización del volumen general debido a la disminución de la porosidad (Fig. 5a, b). Un tiempo más largo de transferencia de calor (es decir, corrientes continuas más largas) aumenta las posibilidades de que los huecos se fusionen y eventualmente colapsen, reduciendo así la porosidad general. Por tanto, se espera que experimentos de mayor duración muestren una densidad aparente que aumenta progresivamente. T300 es el mejor ejemplo de la relación inversamente proporcional entre porosidad y densidad. En general, el valor de densidad de las fulguritas es mayor que el del LSB prístino (2,42 ± 0,02 g/cm3) y el del vidrio LSB sintetizado (casi 2,42 ± 0,004 g/cm3). Para esta composición particular, el resultado de la picnometría muestra algunas inconsistencias que podrían deberse a varias razones: (1) la microporosidad del material vesiculado prístino que dificulta la repetibilidad de las mediciones de densidad; (2) la disponibilidad limitada de pequeños fragmentos de fulgurita (<1 g) con respecto al volumen de la celda de medición del picnómetro; la cantidad de partículas prístinas y parcialmente fundidas de piezas trituradas de fulguritas. Sin embargo, los valores de densidad de las probetas investigadas son muy cercanos entre sí, por lo que concluimos que las variaciones observadas pueden considerarse insignificantes y dentro del error experimental.

La intensidad del campo dieléctrico del material objetivo, directamente relacionada con la composición, limita la corriente que debe alcanzar la descarga del rayo para iniciar la fusión. La temperatura de transición vítrea (pico) se ha determinado como ~ 718 °C para la muestra LSB natural (vidrio + cristales), a ~ 694 °C para la fulgurita experimental (vidrio + posible cantidad menor de cristales parcialmente fundidos) y a ~ 693 °C. °C para el vidrio LSB refundido (Fig. 6). Las temperaturas de la muestra de fulgurita y del vidrio LSB sintetizado son idénticas dentro de los límites de error (± 1 °C). La transición vítrea en fulgurita proporciona una limitación de la deformación de la muestra durante la caída del rayo. El pico de transición vítrea estimado indica la temperatura requerida para ablandar el vidrio del LSB natural. A pesar de las limitaciones técnicas que nos impiden determinar la posible temperatura alcanzada por el plasma, investigaciones anteriores indican que podría alcanzar temperaturas de hasta 32.000 K en microsegundos44. Es digno de mención que 1600 °C representa el límite inferior de la temperatura mínima de nuestro plasma de arco simulado, ya que una fina capa fundida recubre algo de cristal de cuarzo residual, que es el cristal más refractario del prístino conjunto mineral, con un punto de fusión cercano a los 1600 °C. a presión atmosférica45. La distribución del área vítrea y cristalina en las fulguritas demuestra también la presencia de un notable gradiente térmico hacia la superficie externa de todas las fulguritas. La estructura de los granos como remanente del material inicial en la fulgurita podría usarse relativamente para estimar la duración media de la transferencia de energía a través de la descarga del rayo.

Análisis térmicos simultáneos de la fulgurita experimental, el vidrio LSB sintetizado y las muestras de LSB natural (datos sin procesar). Los triángulos inversos se refieren a la temperatura máxima de transición vítrea estimada para cada muestra.

Las fulguritas generadas experimentalmente y producidas en este estudio demuestran una notable similitud con las fulguritas que se encuentran en la naturaleza. Por lo tanto, nuestra configuración experimental y nuestro protocolo implementado proporcionan una vía válida que aborda aproximadamente la formación natural de fulgurita. Lo más notable es que encontramos que la presencia de una fase de corriente continua en la descarga permite la transferencia de calor necesaria para producir la fusión del material prístino.

Con estos resultados podemos comenzar a construir una calibración para inferir los parámetros de las descargas de rayos a partir de las características de las fulguritas naturales. Debería ser posible determinar una temperatura mínima de la caída del rayo basándose en la fusión de fases. La rigidez dieléctrica del material objetivo, directamente relacionada con la composición, limita la corriente que debe alcanzar la descarga del rayo para generar fusión. Las formas de los granos como restos del material inicial en la fulgurita pueden usarse para estimar la duración promedio de la transferencia de energía a través de la descarga del rayo.

Finalmente, se espera que este estudio de reconocimiento de la relación entre los rayos y la formación de fulgurita brinde una oportunidad en un futuro cercano para estudiar la importancia de este proceso en la generación de reactivos para la química prebiótica en la Tierra primitiva.

Para cuantificar las propiedades morfológicas de la fulgurita, todas las fulguritas se cortaron perpendicularmente a su eje longitudinal utilizando una sierra de hilo diamantado de precisión. Después de eso, se molieron la mitad de cada muestra de fulgurita y alrededor de 50 g de LSB natural y vidrio LSB sintetizado en un mortero de ágata en un molino vibratorio por debajo de 63 µm para el análisis del picnómetro de helio. También se prepararon soportes de epoxi integrados a partir de la otra mitad de cada fulgurita para su posterior análisis.

La apatita natural y la fulgurita generada experimentalmente se analizaron utilizando un microscopio electrónico de barrido (SEM) Hitachi SU 5000 en el Departamento de Ciencias de la Tierra y Ambientales de la Universidad LMU de Munich. Se adquirieron imágenes de electrones retrodispersados (BSE) de porciones representativas de apatita y fulgurita con distintos aumentos (es decir, 100 ×, 200 ×, etc.). La recopilación de datos fue realizada por Aztech (versión 6.0, Oxford Instrument, AZtechEnergy Advanced EDX-System).

La densidad del LSB natural, del vidrio LSB sintetizado y de todas las fulguritas se midió utilizando un picnómetro de helio Quantachrome en la Universidad LMU de Munich. Cada fulgurita se cortó longitudinalmente por la mitad y estas medias partes de las fulguritas se utilizaron para las mediciones. Todas las muestras se trituraron hasta 63 µm para eliminar los huecos, especialmente la porosidad aislada que puede afectar las mediciones de densidad. Cada una de las densidades se midió al menos diez veces y los valores se presentan en la Tabla complementaria S1.

Las temperaturas calorimétricas de transición vítrea se midieron utilizando un Netzsch 404 C Pegasus. Se colocaron muestras de entre 50 y 60 mg en un crisol de Pt y se calentaron por encima del pico de transición vítrea en una atmósfera dinámica de argón de alta pureza. Luego las muestras se enfriaron y posteriormente se recalentaron a una velocidad de 10 K/min. Las temperaturas máximas de transición vítrea se extrajeron de los segmentos de recalentamiento. En la Figura 6 se muestran las curvas brutas de DSC para las diferentes muestras. Las muestras se han desplazado manualmente para mayor claridad. Se debe aplicar una corrección de temperatura de −4,2 °C a todas las temperaturas de transición vítrea basada en una calibración de temperatura utilizando los puntos de fusión del indio, zinc, aluminio y oro. El error de las mediciones de temperatura es de ± 1 °C.

Todos los datos generados o análisis durante este estudio se incluyen en este artículo publicado [y sus archivos de información complementaria].

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La investigación fue financiada con el apoyo de la Fundación Volkswagen (VW Stiftung) Proyecto ID 94809. DBD agradece el apoyo de la subvención ERC 2018 ADV Grant 834255 (EAVESDROP) del Consejo Europeo de Investigación. CC agradece el apoyo de ERC-2019-COG 864052.

Financiamiento de Acceso Abierto habilitado y organizado por Projekt DEAL.

Departamento de Ciencias de la Tierra y del Medio Ambiente, Ludwig-Maximilians-Universität, Theresienstraße 41, 80333, Munich, Alemania

A. Zeynep Çalışkanoğlu, Corrado Cimarelli, Donald B. Dingwell y Kai-Uwe Hess

Instituto de Sistemas Energéticos de Múnich, Universidad de la Bundeswehr, Werner-Heisenberg-Weg 39, 85577, Neubiberg, Alemania

Alessandra SB Camara

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AZÇ., CC y DBD diseñaron el estudio. AZÇ., ASBC y CC procesaron los experimentos de rayos simulados. AZÇ., KUH y CC realizaron los análisis cualitativos y cuantitativos. AZÇ. analizó los datos, visualizó los resultados y escribió el manuscrito original. Todos los autores contribuyeron al manuscrito.

Correspondencia a A. Zeynep Çalışkanoğlu.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Çalışkanoğlu, AZ, Camara, ASB, Cimarelli, C. et al. Generación experimental de fulgurita en condiciones realistas de descarga de rayos. Representante científico 13, 11685 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-38781-8

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Recibido: 01 de marzo de 2023

Aceptado: 14 de julio de 2023

Publicado: 19 de julio de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-38781-8

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