Палеомолния
Палеомолния относится к остаткам древней молниеносной активности, изучаемой в таких областях, как историческая геология , геоархеология и фульминология . Палеомолнии предоставляют убедительные доказательства для изучения молниевой активности в прошлом Земли и той роли, которую молния могла сыграть в истории Земли. Некоторые исследования предполагают, что молниевая активность сыграла решающую роль в развитии не только ранней атмосферы Земли, но и ранней жизни. Было обнаружено, что молния, небиологический процесс, производит биологически полезный материал посредством окисления и восстановления неорганического вещества. [1] Исследования воздействия молнии на атмосферу Земли продолжаются и сегодня, особенно в отношении механизмов обратной связи нитратных соединений, образующихся в результате молний, на состав атмосферы и глобальные средние температуры. [2]
Обнаружение молниевой активности в геологических записях может быть затруднено, учитывая мгновенный характер ударов молний в целом. Однако фульгурит , стеклообразный трубкообразный, коркообразный или неправильный минералоид, который образуется, когда молния плавит почву , кварцевый песок , глину , горную породу , биомассу или калише , широко распространен в электрически активных регионах по всему миру и является свидетельством не только прошлая грозовая активность, но и модели конвекции . [3] Поскольку каналы молнии передают электрический ток в землю, молния может создавать магнитные поля также . Хотя грозомагнитные аномалии могут свидетельствовать о грозовой активности в регионе, эти аномалии часто создают проблемы для тех, кто исследует магнитную запись типов горных пород, поскольку они маскируют присутствующие естественные магнитные поля. [4]
Молния и ранняя Земля
[ редактировать ]Состав атмосферы ранней Земли (первый миллиард лет) кардинально отличался от ее современного состояния. [5] Первоначально водорода и гелия преобладали соединения в атмосфере . Однако, учитывая относительно небольшой размер этих элементов и более высокую температуру Земли по сравнению с другими планетами того времени, большинство этих более легких соединений улетучились, оставив после себя атмосферу, состоящую в основном из метана , азота , кислорода и аммиака с небольшими концентрациями водорода. соединения и другие газы. [1] Атмосфера переходила от восстановительной атмосферы (атмосферы, которая подавляет окисление) к атмосфере окисления , подобной нашей нынешней атмосфере. [1] Происхождение жизни на Земле долгое время было предметом спекуляций. Живые существа не возникли спонтанно, поэтому за возникновение жизни должен был отвечать какой-то биологический или даже небиологический процесс. Молния — это небиологический процесс, и многие предполагают, что молния присутствовала на ранней Земле. Одним из самых известных исследований, изучавших молнии на ранней Земле, был эксперимент Миллера-Юри.
Эксперимент Миллера-Юри
[ редактировать ]Эксперимент Миллера-Юри был направлен на воссоздание ранней земной атмосферы в лабораторных условиях, чтобы определить химические процессы, которые в конечном итоге привели к возникновению жизни на Земле. [1] В основу этого эксперимента легла гипотеза Опарина, которая предполагала, что некоторое количество органического вещества может быть создано из неорганического материала в восстановительной атмосфере . [1] Используя смесь воды, метана , аммиака и водорода в стеклянных трубках, Миллер и Юри воспроизвели воздействие молнии на смесь с помощью электродов . [1] По завершении эксперимента до 15 процентов углерода из смеси образовали органические соединения, а 2 процента углерода образовали аминокислоты — необходимый элемент для строительных блоков живых организмов. [1]
Вулканическая молния на ранней Земле
[ редактировать ]Фактический состав атмосферы ранней Земли является предметом серьезных дискуссий. Различное количество определенных газообразных компонентов может сильно повлиять на общий эффект конкретного процесса, который включает в себя небиологические процессы, такие как накопление заряда во время грозы . Утверждалось, что вызванная вулканом молния на ранних этапах существования Земли, поскольку вулканический шлейф состоял из дополнительных «восстановительных газов», была более эффективной в стимулировании окисления органического материала для ускорения возникновения жизни. [7] В случае вулканической молнии разряд молнии почти всегда происходит непосредственно внутри вулканического шлейфа. [7] Поскольку этот процесс происходит довольно близко к уровню земли, было высказано предположение, что вулканическая молния способствовала зарождению жизни в большей степени, чем молния, возникающая внутри облаков, которая понижала положительный или отрицательный заряд облака на землю. [7] Хилл (1992) количественно оценил этот увеличенный вклад, исследуя предполагаемые концентрации цианида водорода (HCN) от вулканических молний и «общих молний». [7] Результаты показали, что концентрации HCN для вулканических молний были на порядок выше, чем для «обычных молний». [7] Цианистый водород — еще одно соединение, связанное с возникновением жизни на Земле. [8] Однако, учитывая, что интенсивность и объем вулканической активности на ранних стадиях развития Земли до конца не изучены, гипотезы относительно прошлой вулканической активности (например, Hill, 1992) обычно основываются на наблюдаемой в настоящее время вулканической активности. [7]
Фиксация азота и молния
[ редактировать ]Азот , самый распространенный газ в нашей атмосфере, имеет решающее значение для жизни и является ключевым компонентом различных биологических процессов. Биологически пригодные формы азота, такие как нитраты и аммиак , возникают в результате биологических и небиологических процессов посредством фиксации азота . [9] Одним из примеров небиологического процесса, ответственного за фиксацию азота, является молния.
Удары молний — это кратковременные электрические разряды высокой интенсивности, температура которых может достигать температуры, в пять раз превышающей температуру поверхности Солнца. В результате, когда канал молнии проходит через воздух, ионизация происходит , образующая соединения оксида азота (NO x ) внутри канала молнии. [2] Глобальный Производство NO x в результате молний составляет около 1–20 Тг/год. −1 . [10] Некоторые исследования предполагают, что активность молний может вносить «самый большой вклад в глобальный баланс азота», даже больший, чем сжигание ископаемого топлива . [11] Учитывая, что ежедневно на Земле происходит от 1500 до 2000 гроз и миллионы ударов молний, вполне понятно, что молниевая активность играет жизненно важную роль в фиксации азота. [12] Хотя соединения оксидов азота производятся по мере того, как канал молнии движется к земле, некоторые из этих соединений передаются в геосферу посредством влажных или сухих осаждений . [2] Вариации содержания азота в земной и океанической среде влияют на первичное производство и другие биологические процессы. [2] Изменения в первичном производстве могут повлиять не только на углеродный цикл , но и на климатическую систему .
Климатическая обратная связь молний и биоты
[ редактировать ]Климатическая обратная связь молний и биоты (LBF) — это реакция отрицательной обратной связи на глобальное потепление в масштабе сотен или тысяч лет в результате увеличения концентрации соединений азота в результате активности молний, отложившихся в биологических экосистемах . [2] Земли с нулевым измерением Концептуальная модель , которая учитывала глобальную температуру, доступный в почве азот, наземную растительность и глобальную концентрацию углекислого газа в атмосфере , использовалась для определения реакции глобальных средних температур на повышение Концентрации NO x в результате ударов молний. [2] Была выдвинута гипотеза, что в результате повышения средней глобальной температуры образование молний увеличится, поскольку увеличение испарения из океанов будет способствовать усилению конвекции . В результате более многочисленных ударов молний фиксация азота приведет к попаданию большего количества биологически полезных форм азота в различные экосистемы , стимулируя первичное производство . Воздействие на первичное производство повлияет на углеродный цикл , что приведет к сокращению выбросов углекислого газа в атмосферу. Сокращение содержания углекислого газа в атмосфере приведет к отрицательной обратной связи или охлаждению климатической системы . [2] Результаты моделирования показали, что по большей части климатическая обратная связь молний и биоты задерживала положительные возмущения в атмосферном углекислом газе и температуре до «равновесного» состояния. [2] влияние климатической обратной связи молний и биоты на сдерживание антропогенного воздействия на концентрацию углекислого газа в атмосфере. Также было исследовано [2] Используя текущие уровни углекислого газа в атмосфере и темпы увеличения содержания углекислого газа в атмосфере на ежегодной основе, исходя из времени написания статьи, климатическая обратная связь молний и биоты еще раз показала охлаждающий эффект на глобальные средние температуры, учитывая начальное возмущение. [2] Учитывая упрощенный характер модели, некоторые параметры ( озон, образуемый молнией и т. д.) и другие механизмы обратной связи были упущены из виду, поэтому значимость результатов все еще остается областью дискуссий. [2]
Молния в геологической летописи
[ редактировать ]Индикаторы молниеносной активности в геологической летописи часто трудно расшифровать. Например, ископаемые древесные угли позднего триаса потенциально могут быть результатом лесных пожаров, вызванных молниями. [13] Несмотря на то, что удары молний по большей части являются мгновенными событиями, свидетельства молниевой активности можно найти в объектах, называемых фульгуритами .
Фульгуриты
[ редактировать ]Фульгуриты (от латинского fulgur , что означает « молния ») — это естественные трубки, комки или массы спеченной, остеклованной и/или расплавленной почвы, песка, камня, органических остатков и других отложений, которые иногда образуются при ударе молнии в землю. Фульгуриты относятся к разновидности минералоидного лешательерита . Фульгуриты не имеют фиксированного состава, поскольку их химический состав определяется физическими и химическими свойствами материала, в который попадает молния. Когда молния ударяет в заземляющую подложку, в землю быстро разряжается напряжение свыше 100 миллионов вольт (100 МВ). [15] Этот заряд распространяется, быстро испаряется и плавит кремнеземом богатый кварцевый песок , смешанную почву , глину или другие отложения. [16] Это приводит к образованию полых и/или ветвящихся комплексов стекловидных , протокристаллических и гетерогенно- микрокристаллических трубок, корок, шлаков и везикулярных масс. [17] Фульгуриты гомологичны фигурам Лихтенберга , которые представляют собой ветвящиеся узоры, образующиеся на поверхности изоляторов во время пробоя диэлектрика высоковольтными разрядами, такими как молния. [18] [19]
Фульгуриты указывают на грозу ; Распределение фульгуритов может указывать на характер ударов молний. Спонхольц и др. (1993) изучали распределение фульгурита вдоль разреза с севера на юг в южной части центральной пустыни Сахара ( Нигер ). Исследование показало, что новые концентрации фульгурита увеличивались с севера на юг, что указывает не только на палеомуссонный характер, но и на демаркацию гроз по мере их продвижения от северной линии к южной точке с течением времени. [3] Изучая обнажения, в которых были обнаружены образцы фульгурита, Sponholz et al. (1993) могли дать относительную дату минералов. Образцы фульгурита датируются примерно 15 000 лет назад и относятся к среднему и верхнему голоцену . [3] Эта находка согласовывалась с палеопочвами региона, поскольку этот период голоцена был особенно влажным. [3] Более влажный климат предполагает повышенную склонность к грозам, что приведет к увеличению концентрации фульгурита. [3] Эти результаты указали на тот факт, что климат, в котором образовался фульгурит, значительно отличался от современного климата, поскольку нынешний климат пустыни Сахара засушливый . [3] Примерный возраст фульгурита был определен методом термолюминесценции (ТЛ). [20] Кварцевые пески можно использовать для измерения степени радиационного воздействия, поэтому, если известна температура, при которой образовался фульгурит, можно было бы определить относительный возраст минерала, исследуя дозы радиации, участвующие в процессе. [3] [20]
Фульгуриты также содержат пузырьки воздуха. [3] Учитывая, что образование фульгурита обычно занимает всего около одной секунды, а процесс образования фульгурита включает в себя несколько химических реакций, газы, такие как CO 2 , относительно легко улавливать внутри везикул. [20] Эти газы могут задерживаться на миллионы лет. [20] Исследования показали, что газы внутри этих пузырьков могут указывать на характеристики почвы во время формирования фульгуритового материала, которые намекают на палеоклимат . [20] Поскольку фульгурит почти полностью состоит из кремнезема со следами кальция и магния , можно приблизительно определить общее количество органического углерода, связанного с этим ударом молнии, чтобы рассчитать соотношение углерода и азота для определения палеосреды. [20]
Палеомагнетизм
[ редактировать ]Когда геологи изучают палеоклимат , важным фактором, который необходимо изучить, являются характеристики магнитного поля типов горных пород, чтобы определить не только отклонения прошлого магнитного поля Земли, но также и изучить возможную тектоническую активность, которая может указывать на определенные климатические режимы.
Свидетельства молниевой активности часто можно найти в палеомагнитных записях. Удары молний являются результатом огромного накопления заряда в облаках. Этот избыточный заряд передается на землю через каналы молнии, по которым проходит сильный электрический ток . Из-за интенсивности этого электрического тока, когда молния падает на землю, она может создать сильное, хотя и кратковременное, магнитное поле. Таким образом, когда электрический ток проходит через почву, камни, корни растений и т. д., он закрепляет уникальную магнитную сигнатуру внутри этих материалов посредством процесса, известного как остаточная намагниченность, вызванная молнией (LIRM). [21] Доказательства LIRM проявляются в концентрических линиях магнитного поля, окружающих точку удара молнии. [22] Аномалии LIRM обычно возникают вблизи места удара молнии и обычно локализуются в пределах нескольких метров от точки контакта. [4] Аномалии обычно линейные или радиальные, которые, как и настоящие каналы молний, разветвляются из центральной точки. [23] Определить силу электрического тока от удара молнии можно, исследуя сигнатуры ЛИРМ. [22] Поскольку камни и почвы уже имеют некоторое ранее существовавшее магнитное поле, интенсивность электрического тока можно определить, исследуя изменение между «естественным» магнитным полем и магнитным полем, индуцированным током молнии, которое обычно действует параллельно направлению тока молнии. молниеотводящий канал. [22] Другой характерной особенностью аномалии LIRM по сравнению с другими магнитными аномалиями является то, что интенсивность электрического тока, как правило, выше. [4] Однако некоторые предполагают, что аномалии, как и другие характеристики геологической летописи, могут со временем исчезнуть по мере перераспределения магнитного поля. [23]
Аномалии LIRM часто могут быть проблематичными при исследовании магнитных характеристик типов горных пород. Аномалии LIRM могут маскировать естественную остаточную намагниченность (NRM) рассматриваемых пород, поскольку последующая намагниченность, вызванная ударом молнии, переконфигурирует магнитную запись. [4] Исследуя атрибуты почвы на археологическом участке 30-30 Винчестер на северо-востоке Вайоминга, чтобы определить повседневную деятельность доисторических людей, когда-то населявших этот регион, Дэвид Маки заметил странные аномалии в магнитной записи, которые не соответствовали круговым магнитным остаточным характеристикам печи, используемые этими доисторическими группами для приготовления пищи и гончарного дела. [4] Аномалия LIRM была значительно больше других магнитных аномалий и образовывала дендритную структуру. [4] Чтобы проверить обоснованность утверждения о том, что магнитная аномалия действительно была результатом молнии, а не другого процесса, Маки (2005) проверил образцы почвы на соответствие известным стандартам, указывающим на аномалии LIRM, разработанные Данлопом и др. (1984), Василевски и Клетечка (1999) и Верье и Рошетт (2002). [22] [24] [25] Эти стандарты включают, помимо прочего: 1) средний REM (отношение между естественной остаточной намагниченностью к лабораторному стандартному значению) более 0,2 и 2) средний коэффициент Кенигсбергера (отношение между естественной остаточной намагниченностью и естественным полем, создаваемым магнитным полем Земли). поле). [4] Результаты указали на наличие LIRM на археологическом объекте. Аномалии LIRM также усложнили определение относительного расположения полюсов в позднем мелу по записи магнитного поля потоков базальтовой лавы в Монголии . [26] Наличие пород, подвергшихся воздействию LIRM, было установлено, когда расчетные коэффициенты Кенигсбергера оказались значительно выше, чем другие магнитные характеристики в регионе. [26]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и ж г Миллер, С.; Х. Юри (1959). «Синтез органических соединений на первобытной земле». Наука . 130 (3370): 245–251. Бибкод : 1959Sci...130..245M . дои : 10.1126/science.130.3370.245 . ПМИД 13668555 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к Шепон, А.; Х. Гилдор (2007). «Климатическая обратная связь молний-биоты». Биология глобальных изменений . 14 (2): 440–450. Бибкод : 2008GCBio..14..440S . дои : 10.1111/j.1365-2486.2007.01501.x . S2CID 84031128 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час Спонхольц, Б.; Р. Баумхауэр и П. Феликс-Хеннингсен (1993). «Фульгуриты на юге Центральной Сахары, Республика Нигер, и их палеоэкологическое значение» (PDF) . Голоцен . 3 (2): 97–104. Бибкод : 1993Holoc...3...97S . дои : 10.1177/095968369300300201 . S2CID 56110306 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г Маки, Д. (2005). «Удары молний и доисторические печи: определение источника магнитных аномалий с использованием методов магнетизма окружающей среды». Геоархеология . 20 (5): 449–459. Бибкод : 2005Gearc..20..449M . CiteSeerX 10.1.1.536.5980 . дои : 10.1002/gea.20059 . S2CID 52383921 .
- ^ Клауд, П. (1972). «Действующая модель примитивной Земли». Американский научный журнал . 272 (6): 537–548. Бибкод : 1972AmJS..272..537C . дои : 10.2475/ajs.272.6.537 .
- ^ Мрабет, Ясин. «Эксперимент Миллера-Юри (1953)» . Собственная работа . Проверено 26 ноября 2011 г.
- ^ Jump up to: а б с д и ж Хилл, РД (1992). «Эффективный источник энергии молнии на ранней Земле». Происхождение жизни и эволюция биосферы . 22 (5): 227–285. Бибкод : 1992OLEB...22..277H . дои : 10.1007/BF01810857 . ПМИД 11536519 . S2CID 426812 .
- ^ Мэтьюз, Китай (2004). «Мир HCN». Мир HCN: установление белково-нуклеиновой жизни аугоцидов с помощью полимеров цианида водорода. Клеточное происхождение и жизнь в экстремальных средах обитания и астробиология . Клеточное происхождение, жизнь в экстремальных средах обитания и астробиология. Том. 6. С. 121–135. дои : 10.1007/1-4020-2522-x_8 . ISBN 978-1-4020-1813-8 .
{{cite book}}
:|journal=
игнорируется ( помогите ) - ^ Лабрадор, ЖЖ (2005). «Чувствительность химии тропосферы к источнику NO x от молнии: моделирование с помощью глобальной трехмерной модели химического переноса MATCH-MPIC». Кандидатская диссертация, кафедра химии воздуха, Институт Макса Планка, Майнц, Германия .
- ^ Лиав, Ю.П.; Д. Л. Систерсон и Н. Л. Миллер (1990). «Сравнение полевых, лабораторных и теоретических оценок глобальной фиксации азота молнией». Журнал геофизических исследований . 95 (Д13): 22489–22494. Бибкод : 1990JGR....9522489L . дои : 10.1029/JD095iD13p22489 .
- ^ МакГорман, доктор медицинских наук; WD Раст (1998). Электрическая природа штормов . Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. п. 432.
- ^ Джонс, ТП; С. Эш и И. Фигейрал (2002). «Древесный уголь позднего триаса из национального парка Петрифайд-Форест, Аризона, США». Палеогеография, Палеоклиматология, Палеоэкология . 188 (3–4): 127–139. Бибкод : 2002PPP...188..127J . дои : 10.1016/s0031-0182(02)00549-7 .
- ^ Хендрикс, Марио. «Фульгурит из Окечуби во Флориде» . Собственная работа . Проверено 26 ноября 2011 г.
- ^ Энн Купер, Мэри (1 марта 1980 г.). «Травмы молнией: прогностические признаки смерти» . Анналы неотложной медицины . 9 (3) . Проверено 16 июня 2019 г.
- ^ Джозеф, Майкл Л. (январь 2012 г.). «Геохимический анализ фульгуритов: от внутреннего стекла к внешней корке» . Scholarcommons.usf.edu . Проверено 16 августа 2015 г.
- ^ «Классификация фульгурита, петрология и влияние на планетарные процессы - хранилище кампуса Университета Аризоны» . Аризона.openrepository.com . Проверено 16 августа 2015 г.
- ^ «СГСМП: цифры Лихтенберга» . Sgsmp.ch. 28 июля 2005 г. Архивировано из оригинала 2 августа 2015 г. Проверено 16 августа 2015 г.
- ^ Уэллетт, Дженнифер (23 июля 2013 г.). «Физик Фермилаб создает искусство «замерзшей молнии» с помощью ускорителей» . Научный американский блог . Проверено 11 августа 2015 г.
- ^ Грэм, KWT (1961). «Перемагничивание поверхности обнажения токами молнии» . Геофиз. Дж. Р. Астрон. Соц . 6 (1): 85–102. Бибкод : 1961GeoJ....6...85G . дои : 10.1111/j.1365-246x.1961.tb02963.x .
- ^ Jump up to: а б с д Верье, В.; П. Рошетт (2002). «Оценка пиковых токов при ударах молнии на землю с использованием остаточной намагниченности» . Письма о геофизических исследованиях . 29 (18): 14–1. Бибкод : 2002GeoRL..29.1867V . дои : 10.1029/2002GL015207 . S2CID 128577288 .
- ^ Jump up to: а б Джонс, Г.; Д. Маки (2005). «Молниевые магнитные аномалии на археологических памятниках». Археологическая разведка . 12 (3): 191–197. Бибкод : 2005ArchP..12..191J . дои : 10.1002/arp.257 . S2CID 128965099 .
- ^ Данлоп, диджей; Л. Д. Шутт и Си Джей Хейл (1984). «Палеомагнетизм архейских пород северо-западного Онтарио: III. Магнетизм горных пород гранита озера Шелли, субпровинция Кетико». Канадский журнал наук о Земле . 21 (8): 879–886. Бибкод : 1984CaJES..21..879D . дои : 10.1139/e84-094 .
- ^ Василевский, П.; Г. Клетечка (1999). «Магнит: единственный в природе постоянный магнит – что это такое и как он заряжается?». Письма о геофизических исследованиях . 26 (15): 2275–2278. Бибкод : 1999GeoRL..26.2275W . дои : 10.1029/1999GL900496 . S2CID 128699936 .
- ^ Jump up to: а б Ханкард, Ф.; Дж. П. Конь и В. Кравчинский (2005). «Новый позднемеловой палеомагнитный полюс запада Амурского блока (Хурмен-Уул, Монголия)». Письма о Земле и планетологии . 236 (1–2): 359–373. Бибкод : 2005E&PSL.236..359H . дои : 10.1016/j.epsl.2005.05.033 .