Génération expérimentale de fulgurite dans des conditions réalistes de décharge de foudre

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 11685 (2023) Citer cet article

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Les fulgurites ont été documentées dans des dépôts géologiques tout au long de l'histoire de la Terre. On leur a également attribué un rôle potentiel dans la chimie prébiotique en tant que source de réactifs. Les fulgurites sont générées dans la nature par des éclairs entre les nuages ​​et le sol. L'imprévisibilité dans l'espace et dans le temps de l'apparition des éclairs a limité l'étude des mécanismes et des conditions dans lesquels se forment les fulgurites. Une approche basée sur le laboratoire peut atténuer ces limitations. Ici, nous décrivons des fulgurites générées expérimentalement à partir de cendres volcaniques de Laacher See. Nous utilisons une source CC avec une configuration d'impulsion de déclenchement dans un laboratoire haute tension, dont les capacités permettent des conditions expérimentales qui correspondent étroitement aux caractéristiques électriques des coups de foudre naturels. Les fulgurites générées expérimentalement ressemblent beaucoup aux fulgurites naturelles, tant dans leur état que dans leur texture. Ces recherches expérimentales donnent une grande reproductibilité des caractéristiques des fulgurites générées dans des conditions bien contraintes, permettant de tirer certaines conclusions concernant les processus impliqués dans la génération de fulgurites dans la nature. Ce travail fournit une base pour une caractérisation systématique des fulgurites expérimentales et des caractéristiques des décharges de foudre.

Les fulgurites, du mot latin signifiant « éclair » – fulgur, prennent généralement la forme de tubes irréguliers vitreux naturels générés par la foudre dans le sable, le sol ou la roche. Les fulgurites naturelles ont été décrites pour la première fois (dans des sédiments sableux) par Herman en 17061, et la fulgurite la plus ancienne trouvée à ce jour a été supposée, sur la base des roches fossilifères du Carbonifère recouvrant l'hôte, être d'âge permien2. Les fulgurites présentes sur Terre se forment à la suite d'éclairs nuage-sol (orages ou éruptions volcaniques) ou à la suite d'accidents impliquant des lignes de transport électrique3,4,5. Les fulgurites naturelles ont été explorées en termes de leurs états morphologiques et chimiques6,7,8,9, y compris la description de la minéralisation à haute température10, la reconstruction de la paléoécologie11 et l'évaluation de la disponibilité de sources chimiques pour la chimie prébiotique12,13,14. .

Les fulgurites générées expérimentalement ont également été brièvement décrites dans certaines études de faisabilité préliminaires15,16,17,18,19,20. Ces précieuses enquêtes scientifiques pionnières n’ont généralement pas été soumises aux protocoles standard de la communauté de recherche sur la foudre naturelle et manquent généralement de la reproductibilité et de la précision d’une approche systématique. Les raisons résident généralement dans les technologies expérimentales utilisées. Le courant généré par la batterie de Leyde (environ 20 à 60 kV) était, par exemple, insuffisant pour créer des fulgurites ressemblant beaucoup aux fulgurites naturelles15,16. Les configurations expérimentales ultérieures manquaient d'inductance17 et/ou produisaient uniquement une composante de premier retour (la composante de la décharge de foudre vitale pour briser l'intensité du champ diélectrique du matériau d'origine)18,21. L’impulsion qu’ils ont générée à l’aide de la forme d’onde sinusoïdale facilite la rupture diélectrique de l’échantillon, générant finalement une fusion, mais elle n’est pas suffisante pour reproduire la morphologie typique des fulgurites19. Le courant produit (50 A) par le simulateur d'électrofusion pendant 200 à 300 ms utilisé par Castro et al.20 était bien inférieur à l'état actuel de la foudre naturelle (∼30 kA pour une polarité négative et ∼300 kA pour des éclairs de polarité positive22).

La configuration expérimentale utilisée dans notre étude (source CC avec impulsion de déclenchement) a été conçue et construite pour garantir la conformité aux recommandations de la communauté des chercheurs sur la foudre pour les études sur les impacts de foudre (par exemple, formes d'onde CEI 6230523) et est située à l'Universität der Bundeswehr (UniBw). , Munich, Allemagne. Un avantage majeur de cette configuration est que ces expériences peuvent être reproduites facilement et très précisément.