Палеомолния

Палеомолния относится к остаткам древней грозовой активности, изучаемым в таких областях, как историческая геология , геоархеология и фульминология . Палеомолния предоставляет ощутимые доказательства для изучения грозовой активности в прошлом Земли и роли, которую молнии могли играть в истории Земли. Некоторые исследования предполагают, что грозовая 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 соединений нитратов, произведенных молнией, на состав атмосферы и глобальные средние температуры. ^[2]

Обнаружение грозовой активности в геологической летописи может быть затруднено, учитывая мгновенную природу ударов молнии в целом. Однако фульгурит , стекловидный трубчатый, коркообразный или нерегулярный минералоид, который образуется, когда молния плавит почву , кварцевые пески , глину , скалу , биомассу или калише , распространен в электрически активных регионах по всему миру и предоставляет доказательства не только прошлой грозовой активности, но и закономерностей конвекции . ^[3] Поскольку каналы молнии переносят электрический ток в землю, молния также может создавать магнитные поля . Хотя аномалии молний и магнитных полей могут предоставить доказательства грозовой активности в регионе, эти аномалии часто проблематичны для тех, кто изучает магнитную запись типов горных пород, поскольку они маскируют присутствующие естественные магнитные поля. ^[4]

Состав атмосферы ранней Земли (первый миллиард лет) кардинально отличался от ее нынешнего состояния. ^[5] Первоначально в атмосфере доминировали соединения водорода и гелия . Однако, учитывая относительно небольшой размер этих элементов и более высокую температуру Земли по сравнению с другими планетами в то время, большинство этих более легких соединений улетучились, оставив после себя атмосферу, состоящую в основном из метана , азота , кислорода и аммиака с небольшими концентрациями соединений водорода и других газов. ^[1] Атмосфера переходила от восстановительной атмосферы (атмосферы, которая подавляет окисление) к окислительной , подобной нашей современной атмосфере. ^[1] Происхождение жизни на Земле было предметом спекуляций в течение довольно долгого времени. Живые существа не появлялись спонтанно, поэтому какой-то биологический или даже небиологический процесс должен был быть ответственным за зарождение жизни. Молния — это небиологический процесс, и многие предполагают, что молния присутствовала на ранней Земле. Одним из самых известных исследований, изучавших молнию на ранней Земле, был эксперимент Миллера–Юри.

Эксперимент Миллера-Юри был направлен на воссоздание ранней атмосферы Земли 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 некоторые органические вещества могут быть созданы из неорганических материалов при наличии восстановительной атмосферы . ^[1] Используя смесь воды, метана , аммиака и водорода в стеклянных трубках, Миллер и Юри воспроизвели воздействие молнии на смесь с помощью электродов . ^[1] В конце эксперимента до 15 процентов углерода из смеси образовали органические соединения, в то время как 2 процента углерода образовали аминокислоты , необходимый элемент для строительных блоков живых организмов. ^[1]

Фактический состав атмосферы ранней Земли является предметом больших споров. Различные количества определенных газообразных компонентов могут значительно влиять на общий эффект конкретного процесса, который включает в себя небиологические процессы, такие как накопление заряда во время гроз . Утверждалось, что вызванная вулканами молния на ранних стадиях существования Земли, поскольку вулканический шлейф состоял из дополнительных «восстановительных газов», была более эффективна в стимуляции окисления органического материала для ускорения производства жизни. ^[7] В случае вулканической молнии разряд молнии почти исключительно 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, производимая внутри облаков, которая понижала бы положительный или отрицательный заряд от облака к земле. ^[7] Хилл (1992) количественно оценил этот усиленный вклад, изучив предполагаемые концентрации цианистого водорода (HCN) от вулканической молнии и «обычной молнии». ^[7] Результаты показали, что концентрации HCN для вулканической молнии были на порядок больше, чем для «обычной молнии». ^[7] Цианистый водород — еще одно соединение, которое связывают 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 современной наблюдаемой вулканической активности. ^[7]

Азот , самый распространенный газ в нашей атмосфере, имеет решающее значение для жизни и является ключевым компонентом различных биологических процессов. Биологически используемые формы азота, такие как нитраты и аммиак , возникают в результате биологических и небиологических процессов посредством азотфиксации . ^[9] Одним из примеров небиологического процесса, ответственного за азотфиксацию, является молния.

Удары молнии представляют собой кратковременные, высокоинтенсивные электрические разряды, которые могут достигать температур в пять раз выше, чем температура поверхности Солнца. В результате, когда канал молнии проходит по воздуху, происходит ионизация , образуя соединения оксида азота (NO _x ) внутри канала молнии. ^[2] Глобальное производство NO _x в результате молнии составляет около 1–20 Тг N год ⁻¹ . ^[10] Некоторые исследования подразумевают, что активность молний может быть «наибольшим вкладчиком в глобальный баланс азота», даже большим, чем сжигание ископаемого топлива . ^[11] Поскольку ежедневно на Земле происходит от 1500 до 2000 гроз и миллионы ударов молний, ​​понятно, что активность молний играет жизненно важную роль в фиксации азота. ^[12] Хотя соединения оксида азота образуются по мере того, как канал молнии движется к земле, некоторые из этих соединений переносятся в геосферу через влажное или сухое осаждение . ^[2] Изменения азота в наземной и океанической среде влияют на первичную продукцию и другие биологические процессы. ^[2] Изменения в первичной продукции могут влиять не только на углеродный цикл , но и на климатическую систему .

Климатическая обратная связь молния-биота (LBF) является отрицательной обратной реакцией на глобальное потепление во временной шкале сотен или тысяч лет, в результате увеличения концентрации соединений азота от активности молний, ​​депонированных в биологических экосистемах . ^[2] Нульмерная концептуальная модель Земли , которая учитывала глобальную температуру, доступный азот почвы, наземную растительность и глобальную концентрацию углекислого газа в атмосфере , использовалась для определения реакции глобальных средних температур на увеличение концентрации NO _x от ударов молний. ^[2] Была выдвинута гипотеза, что в результате повышения глобальных средних температур производство молний увеличится, поскольку увеличение испарения с океанов будет способствовать усилению конвекции . В результате более многочисленных ударов молний фиксация азота будет депонировать больше биологически полезных форм азота в различных экосистемах , стимулируя первичное производство . Воздействие на первичное производство повлияет на углеродный цикл , что приведет к сокращению содержания углекислого газа в атмосфере. Сокращение содержания углекислого газа в атмосфере приведет к отрицательной обратной связи или охлаждению климатической системы . ^[2] Результаты моделирования показали, что в большинстве случаев климатическая обратная связь молния-биота задерживала положительные возмущения в атмосферном углекислом газе и температуре до «равновесного» состояния. ^[2] Также были исследованы воздействия климатической обратной связи молния-биота на ограничение антропогенных влияний на концентрацию атмосферного углекислого газа. ^[2] Используя текущие уровни атмосферного углекислого газа и темпы увеличения атмосферного углекислого газа на ежегодной основе на основе времени статьи, климатическая обратная связь молния-биота снова показала охлаждающий эффект на глобальные средние температуры, учитывая начальное возмущение. ^[2] Учитывая упрощенный характер модели, несколько параметров ( озон, производимый молнией и т. д.) и другие механизмы обратной связи были проигнорированы, поэтому значимость результатов все еще является предметом обсуждения. ^[2]

Индикаторы грозовой активности в геологической летописи часто трудно расшифровать. Например, ископаемые угли из позднего триаса потенциально могут быть результатом лесных пожаров, вызванных молниями. ^[13] Несмотря на то, что удары молний, ​​по большей части, являются мгновенными событиями, свидетельства грозовой активности можно найти в объектах, называемых фульгуритами .

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 классифицируются как разновидность минералоида лешательерита . Фульгуриты не имеют фиксированного состава, поскольку их химический состав определяется физическими и химическими свойствами материала, пораженного молнией. Когда молния ударяет в заземляющий субстрат, в землю быстро разряжается свыше 100 миллионов вольт (100 МВ). [ 15 ^{] Этот заряд распространяется в} кварцевый песок , смешанную почву , глину или другие отложения, быстро испаряется и плавит их . ^[16] Это приводит к образованию полых и/или ветвящихся скоплений стекловидных , протокристаллических и неоднородно микрокристаллических трубок, корок, шлаков и пузырьковых масс. ^[17] Фульгуриты гомологичны фигурам Лихтенберга , которые представляют собой разветвленные узоры, образующиеся на поверхности изоляторов во время пробоя диэлектрика высоковольтными разрядами, такими как молния. ^{[18] [19]}

Фульгуриты являются признаками гроз ; распределение фульгуритов может намекать на закономерности ударов молний. Sponholz et al. (1993) изучали распределение фульгуритов вдоль поперечного сечения север-юг в южно-центральной пустыне Сахара ( Нигер ). Исследование показало, что более новые концентрации фульгуритов увеличивались с севера на юг, что указывало не только на палеомуссонный рисунок, но и на демаркацию гроз по мере их продвижения от северной линии к южному местоположению с течением времени. ^[3] Изучая выходы пород, в которых были найдены образцы фульгуритов, Sponholz et al. (1993) смогли предоставить относительную дату для минералов. Образцы фульгуритов датируются приблизительно 15 000 лет до среднего и верхнего голоцена . ^[3] Это открытие согласуется с палеопочвами региона, поскольку этот период голоцена был особенно влажным. ^[3] Более влажный климат предполагает, что склонность к грозам, вероятно, была повышена, что привело бы к большей концентрации фульгурита. ^[3] Эти результаты указали на тот факт, что климат, в котором образовался фульгурит, значительно отличался от современного климата, поскольку современный климат пустыни Сахара является засушливым . ^[3] Приблизительный возраст фульгурита был определен с помощью термолюминесценции (ТЛ). ^[20] Кварцевые пески можно использовать для измерения количества радиационного воздействия, поэтому, если известна температура, при которой образовался фульгурит, можно определить относительный возраст минерала, изучив 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, вовлеченный в создание фульгурита, включает несколько химических реакций, относительно легко задерживать газы, такие как CO ₂ , внутри пузырьков. ^[20] Эти газы могут удерживаться в течение миллионов лет. ^[20] Исследования показали, что газы внутри этих пузырьков могут указывать на характеристики почвы во время формирования материала фульгурита, что намекает на палеоклимат . ^[20] Поскольку фульгурит почти полностью состоит из кремнезема со следовыми количествами кальция и магния , можно сделать приближенное значение общего количества органического углерода, связанного с этим ударом молнии, чтобы рассчитать соотношение углерода к азоту для определения палеосреды. ^[20]

Когда геологи изучают палеоклимат , важным фактором для изучения являются характеристики магнитного поля типов горных пород, чтобы определить не только отклонения прошлого магнитного поля Земли, но и изучить возможную тектоническую активность, которая может указывать на определенные климатические режимы.

Свидетельства активности молний часто можно найти в палеомагнитных записях. Удары молнии являются результатом огромного накопления заряда в облаках. Этот избыточный заряд передается на землю через каналы молнии, которые несут сильный электрический ток . Из-за интенсивности этого электрического тока, когда молния ударяет в землю, она может создавать сильное, хотя и кратковременное, магнитное поле. Таким образом, когда электрический ток проходит через почву, камни, корни растений и т. д., он фиксирует уникальную магнитную сигнатуру в этих материалах с помощью процесса, известного как остаточная намагниченность, вызванная молнией (LIRM). ^[21] Свидетельство LIRM проявляется в концентрических линиях магнитного поля, окружающих местоположение точки удара молнии. ^[22] Аномалии LIRM обычно возникают вблизи места удара молнии, обычно инкапсулированные в пределах нескольких метров от точки контакта. ^[4] Аномалии, как правило, линейные или радиальные, которые, как и настоящие каналы молнии, разветвляются из центральной точки. ^[23] Можно определить интенсивность электрического тока от удара молнии, изучив сигнатуры LIRM. ^[22] Поскольку скалы и почвы уже имеют некоторое предсуществующее магнитное поле, интенсивность электрического тока можно определить, изучив изменение между «естественным» магнитным полем и магнитным полем, вызванным током молнии, которое обычно действует параллельно направлению канала молнии. ^[22] Еще одной характерной чертой аномалии LIRM по сравнению с другими магнитными аномалиями является то, что интенсивность электрического тока, как правило, сильнее. ^[4] Однако некоторые предполагают, что аномалии, как и другие характеристики в геологической летописи, могут со временем исчезать по мере перераспределения магнитного поля. ^[23]

Аномалии LIRM часто могут быть проблематичными при изучении магнитных характеристик типов горных пород. Аномалии LIRM могут скрывать естественную остаточную намагниченность (NRM) рассматриваемых пород, поскольку последующая намагниченность, вызванная ударом молнии, изменяет конфигурацию магнитной записи. ^[4] Исследуя атрибуты почвы на археологическом участке 30-30 Винчестер на северо-востоке Вайоминга, чтобы выявить повседневную деятельность доисторических людей, которые когда-то населяли этот регион, Дэвид Маки заметил особые аномалии в магнитной записи, которые не соответствовали круговым особенностям магнитных остатков печей, используемых 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 по известным стандартам, указывающим на аномалии LIRM, разработанным Данлопом и др. (1984), Василевским и Клетечкой (1999) и Верье и Рошетт (2002). ^{[22] [24] [25]} Эти стандарты включают, но не ограничиваются: 1) средним значением REM (отношение между естественной остаточной намагниченностью и лабораторным стандартным значением) больше 0,2 и 2) средним отношением Кенигсбергера (отношение между естественной остаточной намагниченностью и естественным полем, созданным магнитным полем Земли). ^[4] Результаты указали на доказательства LIRM на археологическом объекте. Аномалии LIRM также усложнили определение относительного расположения полюсов в позднем меловом периоде по данным магнитного поля базальтовых лавовых потоков в Монголии . ^[26] Присутствие горных пород, затронутых LIRM, было определено, когда рассчитанные коэффициенты Кенигсбергера оказались значительно выше других магнитных сигнатур в регионе. ^[26]

Викискладе есть медиафайлы по теме фульгуритов .

• Библиография фульгуритов