Experimentelle Erzeugung von Fulgurit unter realistischen Blitzentladungsbedingungen

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 11685 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Fulgurite wurden in geologischen Ablagerungen aus der gesamten Erdgeschichte dokumentiert. Ihnen wird auch eine potenzielle Rolle als Reaktantenquelle in der präbiotischen Chemie zugeschrieben. Fulgurite entstehen in der Natur durch Blitzeinschläge von der Wolke bis zum Boden. Die räumliche und zeitliche Unvorhersehbarkeit des Auftretens von Blitzereignissen hat die Untersuchung sowohl der Mechanismen als auch der Bedingungen, unter denen sich Fulgurite bilden, eingeschränkt. Ein laborbasierter Ansatz kann diese Einschränkungen mildern. Hier beschreiben wir experimentell erzeugte Fulgurite, die aus Laacher See-Vulkanasche erzeugt wurden. Wir verwenden eine Gleichstromquelle mit Triggerimpuls-Aufbau in einem Hochspannungslabor, deren Fähigkeiten experimentelle Bedingungen ermöglichen, die den elektrischen Eigenschaften natürlicher Blitzeinschläge weitgehend entsprechen. Die experimentell erzeugten Fulgurite ähneln in ihrem Zustand und ihrer Textur stark den natürlich vorkommenden Fulguriten. Diese experimentellen Untersuchungen ergeben eine hohe Reproduzierbarkeit der Eigenschaften von Fulguriten, die unter bestimmten Bedingungen erzeugt wurden, und ermöglichen so einige Rückschlüsse auf die Prozesse, die bei der Entstehung von Fulguriten in der Natur ablaufen. Diese Arbeit liefert eine Grundlage für eine systematische Charakterisierung experimenteller Fulgurite und der Charakteristik von Blitzentladungen.

Fulgurite, vom lateinischen Wort für Blitz – Fulgur – haben im Allgemeinen die Form natürlicher, glasiger, unregelmäßiger Röhren, die durch Blitzeinschläge im Sand, Boden oder Gestein entstehen. Natürliche Fulgurite wurden erstmals 17061 von Herman (in sandigen Sedimenten) beschrieben, und es wurde vermutet, dass der älteste bisher gefundene Fulgurit auf der Grundlage der über dem Wirt liegenden fossilhaltigen Karbongesteine aus dem Perm stammt2. Die auf der Erde vorkommenden Fulgurite entstehen durch Blitzeinschläge von der Wolke in den Boden (entweder durch Gewitter oder Vulkanausbrüche) oder als Folge von Unfällen mit Stromübertragungsleitungen3,4,5. Natürliche Fulgurite wurden im Hinblick auf ihre morphologischen und chemischen Zustände untersucht6,7,8,9, einschließlich der Beschreibung der Hochtemperaturmineralisierung10, der Rekonstruktion der Paläoökologie11 und der Bewertung der Verfügbarkeit chemischer Quellen für die präbiotische Chemie12,13,14 .

Experimentell erzeugte Fulgurite wurden auch in einigen vorläufigen Machbarkeitsstudien kurz beschrieben15,16,17,18,19,20. Diese wertvollen bahnbrechenden wissenschaftlichen Untersuchungen waren im Allgemeinen nicht Gegenstand der Standardprotokolle der Forschungsgemeinschaft zu natürlichen Blitzen und es mangelt ihnen im Allgemeinen an der Reproduzierbarkeit und Präzision eines systematischen Ansatzes. Die Gründe liegen im Allgemeinen in den eingesetzten experimentellen Technologien. Der von der Leydener Gefäßbatterie erzeugte Strom (ca. 20–60 kV) reichte beispielsweise nicht aus, um Fulgurite zu erzeugen, die den natürlichen sehr ähnlich sind15,16. Bei späteren Versuchsaufbauten fehlte die Induktivität17 und/oder sie erzeugten lediglich eine First-Return-Stroke-Komponente (die Komponente der Blitzentladung, die für den Abbau der dielektrischen Feldstärke des Originalmaterials entscheidend ist)18,21. Der von ihnen mithilfe der Sinuswellenform erzeugte Impuls unterstützt den dielektrischen Durchbruch der Probe und führt letztendlich zum Schmelzen, reicht jedoch nicht aus, um die typische Morphologie von Fulguriten zu reproduzieren19. Der vom Elektroschmelzsimulator erzeugte Strom (50 A) für 200–300 ms, der von Castro et al.20 verwendet wurde, lag deutlich unter dem aktuellen Zustand natürlicher Blitze (∼30 kA für Blitze mit negativer Polarität und ∼300 kA für Blitze mit positiver Polarität22).

Der in unserer Studie verwendete Versuchsaufbau (Gleichstromquelle mit Triggerimpuls) wurde so konzipiert und konstruiert, dass die Einhaltung der Empfehlungen der Blitzforschungsgemeinschaft für Blitzschlagstudien (z. B. Wellenformen IEC 6230523) gewährleistet ist, und befindet sich an der Universität der Bundeswehr (UniBw). , München, Deutschland. Ein großer Vorteil dieses Aufbaus besteht darin, dass diese Experimente einfach und sehr genau reproduziert werden können.

Hier verwenden wir eine Vulkanasche aus dem Laacher See, Vulkanfeld Osteifel, Deutschland, als Urmaterial für die Erzeugung der experimentellen Fulgurite und beschreiben systematisch deren Entstehungsmechanismus und Eigenschaften als Funktion der unterschiedlichen Bedingungen der Entladungen.

Hier definieren wir einige grundlegende Eigenschaften natürlicher Fulgurite, um den Vergleich natürlicher Fulgurite mit ihren experimentellen Gegenstücken zu erleichtern. Natürliche Fulgurite können unterschiedliche Zusammensetzungen und Farben aufweisen, die von der ursprünglichen Materialchemie, möglichen Wechselwirkungen und Reaktionen sowie der chemischen Diffusion zwischen Phasen, die beim Schmelzen in Kontakt stehen, abhängen. Solche Fulgurite haben einige allgemeine morphologische Merkmale gemeinsam; Sie weisen üblicherweise Strukturen mit subkreisförmigem Querschnitt auf, die durch einen zentralen Hohlraum (entweder offen, teilweise geschlossen oder geschlossen) gekennzeichnet sind, der den Weg der Blitzausbreitung in das Zielmaterial darstellt. Ihre Längen variieren zwischen Zentimetern und mehreren Metern und die Wandstärke variiert. Die Geometrie des zentralen Hohlraums kann gewundene Morphologien mit verzweigten, reflektierenden sekundären Leiterbahnen entlang der Hauptausbreitungsrichtung der Lichtentladung offenbaren. Die Außenflächen natürlicher Fulgurite weisen typischerweise eine raue Textur auf und können teilweise mit Resten von unberührtem Material und teilweise geschmolzenen Kristallen bedeckt sein, die an der geschmolzenen Fulguritmasse haften. Im Gegensatz dazu weisen die Innenflächen der Fulgurite im Allgemeinen eine glasartige glatte Oberfläche auf, die den zentralen Hohlraum umgibt. Auf der Oberfläche des glasartigen Volumens des Fulgurits sind Reste teilweise geschmolzener Kristalle zu finden. Eine repräsentative natürliche Fulguritprobe aus der Sahara in Afrika24 und eine allgemeine Querschnitts- und Längsansicht, die die grundlegenden morphologischen Merkmale eines Fulgurits veranschaulicht, sind in Abb. 1 dargestellt.

(a) Ein Beispiel für natürlichen Fulgurit (dh Sand) aus der Sahara. (b) Eine repräsentative Querschnitts- und Längsansicht eines natürlichen Fulgurits mit detaillierter morphologischer Beschreibung. Das orangefarbene Quadrat in der Längsansicht entspricht dem Bereich, in dem BSE-Bilder der erzeugten Fulgurite in Abb. 4a–e dargestellt sind.

Wir haben eine Blitzentladung in einem isolierten Probenbehälter durch eine Gleichstromquelle mit einem Triggerimpuls-Aufbau simuliert (Abb. 2a). Der DC-Aufbau simuliert die Auswirkungen natürlicher Blitzstromentladungen unter kontrollierten und hoch reproduzierbaren Bedingungen. Die Hauptelemente des Aufbaus sind ein Marx-Generator, ein Batteriesystem (Gleichstromquelle), bestehend aus 60 in Reihe geschalteten Silber-Blei-Säure-Batterien mit 12 V (720 V–600 A), Leistungsschalter und Schalter, ein Schaltregler und eine Extender-Sicherheitsschaltung (Abb. 2a). Der Aufbau soll die Hauptstromkomponenten natürlicher Blitze25 darstellen, nämlich: (1) erster Rückschlag, der die höchsten Stromamplituden aufweist – typischerweise in der Größenordnung von 103 A, die bis zu mehreren 100 µs andauern; (2) anschließender Rückhub, der in Amplitude und Dauer geringer ist, aber häufig mit einem deutlich höheren Strom (bis zu einigen 100 kA/µs); (3) der Langzeit-Dauerstrom, der deutlich geringere Stromamplituden von nur wenigen 100' A26, aber deutlich längerer Dauer (in der Regel bis zu 100 ms) aufweist. In unserem Aufbau wird der erste Rückhub durch einen Spannungsimpuls eingeleitet, wobei der Marx-Generator (Impulsströme von 1500–5000 A für ca. 100 µs) die Funkenstrecke zwischen den im isolierten Probenbehälter befindlichen Elektroden auslöst und so die Zusammenbruch der Spannungsfestigkeit des Targetmaterials. Als nächstes leitet die Gleichstromquelle die Erzeugung des Langzeit-Dauerstroms ein. Zwei Leistungsschalter sind so angeordnet, dass sie diesen Strom für eine voreingestellte Zeitdauer unterbrechen. In unseren Experimenten simulieren wir positive Blitzentladungen, indem wir die obere Elektrode positiv aufladen, während die untere negativ geladen ist. Mit dem gleichen Aufbau können auch negative Entladungen simuliert werden und es entstehen Fulgurite, die sich nicht wesentlich von denen unterscheiden, die durch positive Entladungen erzeugt werden. Aus praktischen Gründen wird bei der Vorbereitung der Experimente jedoch die Erzeugung von Fulgurit durch positive Entladungen bevorzugt. Ein Video eines sehr ähnlichen Experiments ist in Çalışkanoğlu et al.14 zu sehen.

Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus. (a) Schaltplan der Gleichstromquelle mit Triggerimpuls-Einrichtung und 3D-Bild des Probenbehälters. Der erste Rückhub (i1) gibt die Blitz-Erst-Rückhub-Komponente an und der Langzeit-Dauerstrom (i2) gibt die Blitz-Dauerstromkomponente an. (b) Eine Schnittansicht des zylindrischen Probenbehälters.

Der isolierte Probenbehälter besteht aus zwei koaxialen zylindrischen Behältern aus 3 mm dicken Plexiglasrohren: Das Innenrohr (Höhe (H): 200 mm und Durchmesser (D): 120 mm) enthält die Probe, während das Außenrohr (H: 60 mm und D: 60 mm) verhindert die Mobilisierung und Ausbreitung der Probe im Laborraum bei Auftreffen der Entladung (Abb. 2b).

An drei Positionen im Probenbehälter (oben, in der Mitte und unten) befinden sich elektrisch nicht leitende und mechanisch widerstandsfähige zylindrische Scheibenplatten aus Polymer. Die obere und untere Platte sind feststehend, während die mittlere Platte beweglich gestaltet ist, was die Anpassung des Abstands zwischen den Elektroden ermöglicht, um die Versuchsbedingungen zu optimieren und dadurch die Folgen plötzlicher mechanischer Stöße im Behälter während der Experimente einzudämmen. Die Blitzentladung wird zwischen zwei Elektroden mit unterschiedlichen Geometrien erzeugt: einer kugelförmigen oberen Elektrode (H: 27,42 mm und D: 13 mm), die an der Mittelplatte befestigt ist, und einer kuppelförmigen unteren Elektrode (H: 19 mm und D: 46). mm) an der Bodenplatte befestigt.

Alle Experimente wurden bei atmosphärischer Temperatur und atmosphärischem Druck durchgeführt. Die Umgebungsbedingungen im Labor wurden regelmäßig mit einem Präzisions-Thermo-Hygrometer und -Barometer GFTB 100 gemessen und zeigten eine stabile Umgebung (T: ~ 19,2 °C ± 0,2, P: ~ 946 hPa ± 10 und RHmean: ~ 50,0 % ± 0,6). ) während der Experimente.

Es wurden drei Testexperimente durchgeführt, um den Abstand zwischen den Elektroden anzupassen und die optimale Menge an Zielmaterial zum Füllen des Innenrohrs zu bestimmen. Anschließend wurden sechs Experimente unter ähnlichen Versuchsbedingungen (i1: bis zu einigen 100 kA/µs und i2: 220 A–350 A), jedoch mit unterschiedlicher Dauer (0, 100, 200, 300, 400 und 500 ms) durchgeführt. Die niedrigste Dauer des Dauerstroms, die unser Aufbau zulässt, beträgt 100 ms, was auch nahe an der durchschnittlichen Dauer (fast 150 ms) für langanhaltenden Dauerstrom liegt, der durch natürliche Blitze erzeugt wird, wie von Brook et al.27 behauptet. Es wurden Experimente mit einer Dauer von 200 bis 500 ms durchgeführt, um die Dauer der extrem anhaltenden Stromwirkung auf die Struktur der Fulgurite zu untersuchen. Im Folgenden bezeichnen wir die Experimente entsprechend der charakteristischen Dauer der Dauerstromphase als T0, T100, T200 usw. Das T0-Experiment wurde durchgeführt, indem die Probe allein mit dem ersten Rückhub ohne kontinuierliche Stromphase beaufschlagt wurde. Das Innenrohr wurde für jedes Experiment mit 200 g Targetmaterial gefüllt und alle Experimente wurden mit neuen Probenchargen durchgeführt. Der Elektrodenabstand wurde bei allen Versuchen konstant bei 50 mm gehalten. Es ist erwähnenswert, dass der feste Abstand zwischen den Elektroden maßgeblich die maximale Länge der experimentellen Fulgurite bestimmt. Eine schematische elektrische Wellenform, die vom Aufbau für jede Versuchsdauer erzeugt wird, ist in Abb. 3a zu sehen (Stromwellenformen mit digitalem Oszilloskop: Ergänzende Abbildungen S1).

(a) Schematische zusammengesetzte elektrische Wellenform der experimentellen Blitzkomponenten i1 und i2 für verschiedene Experimentdauern in µs und ms. (B). Ein SEM-BSE-Bild eines unberührten Klasten des LSB. (c–g) Bilder von experimentell erzeugten Fulguriten unter dem variablen Langzeitstrom (100–500 ms). Das linke Ende jedes Fulgurits entspricht dem Teil, der im Versuchsaufbau an der unteren Elektrode haftet.

Als unberührtes Material für die Experimente verwendeten wir vorgesiebte Vulkanaschepartikel des Laacher See-Bimssteins, die „Laacher See Bimse“ (im Folgenden LSB) Ablagerungen, die während des 13.000-jährigen Ausbruchs des Laacher See-Vulkans (Eifel, Deutschland) entstanden und von der ROTEC GmbH bereitgestellt wurden. Wir verwenden die Fraktionsgröße von LSB-Partikeln zwischen 90 und 300 µm unter Zusatz von 3 Gew.-% sehr feiner Asche (< 63 µm)28. Das LSB ist ein mehrphasiges Material, das hauptsächlich aus blasenförmigen Glaspartikeln, lithischen Fragmenten und losen Kristallen29 besteht und eine verbundene und isolierte Porosität aufweist (Abb. 3b). Das junge Material hat eine phonolitische Zusammensetzung (SiO2 ∼55 Gew.-%; Al2O3 ∼20,5 Gew.-%; NaO ∼11 Gew.-%; K2O ∼5,5 Gew.-%) und die Hauptkristallphasen (5–8 %) sind Quarz, Plagioklas, Sanidin, und Klinopyroxene30,31. Die Feldspat- und Quarzkristallkörner machen etwa 1 Gew.-% der gesamten Massenzusammensetzung aus und die durchschnittliche Fraktionsgröße dieser Kristalle beträgt 250 µm. Die durchschnittliche Dichte des hier verwendeten LSB wurde mit einem Heliumpyknometer32 mit 2,42 ± 0,02 g/cm3 gemessen. Als Ausgangsmaterial wurde die LSB-Vulkanasche gewählt, da sie umfassend charakterisiert und in früheren Blitzentladungsexperimenten eingesetzt wurde28,32,33,34. Die Korngrößenverteilung von LSB ähnelt in etwa der von Schluff- und Sandsedimenten, in denen häufig Fulgurite vorkommen. Darüber hinaus enthält sein Mineralbestand Quarz und Feldspäte, die in Sedimenten häufig vorkommen. Daher bietet dieses vulkanische Granulatmaterial den Vorteil, physikalische und chemische Veränderungen seiner Glas- und Kristallkornkomponenten bei blitzinduzierten Schmelzreaktionen zu untersuchen.

Wir haben in 6 Experimenten 5 Fulgurite erzeugt. Im T0-Experiment (100 µs Impulsstrom und kein Dauerstrom) wurde nur ein teilweises Schmelzen und Sintern von Partikelclustern festgestellt. Im Gegenteil, alle Experimente, die durch unterschiedlich lange anhaltende Ströme gekennzeichnet waren (T100 und T200 usw.), erzeugten Fulgurite (Abb. 3c – g). Die Außenfläche aller Fulgurite weist die rotbraune Farbe des ursprünglichen Materials auf. Der größte Teil der Oberfläche jedes Fulgurits ist mit Resten unberührten Materials und teilweise geschmolzenen Kristallen bedeckt. Die Fulgurite aus den T100- bis T400-Experimenten haben eine ähnliche Länge von 45 mm, während der T500-Fulgurit eine Länge von 35 mm hat, also 5 bzw. 15 mm kürzer als der Abstand zwischen den Elektroden. Die Dicke des ungeschmolzenen und teilweise geschmolzenen Bereichs der Fulgurite variiert bis zu 0,6 mm bzw. 0,5 mm, und der Glasbereich weist unabhängig von der Versuchsdauer insgesamt eine unterschiedliche Dicke auf. Der Haupthohlraum weist in verschiedenen Teilen des Fulgurits außerdem einen variablen Durchmesser auf, was seine unregelmäßige Geometrie widerspiegelt. Der durchschnittliche Durchmesser der T100-, T200-, T300- und T500-Fulgurite beträgt etwa 25 mm, während der T400-Fulgurit einen Durchmesser von etwa 20 mm hat. Alle Fulgurite weisen eine röhrenartige Morphologie auf, mit Ausnahme von T500. Die Fulgurite T100, T200 und T500 weisen kurze Apophysen (Äste) auf. Ein offener zentraler Hohlraum wird nur im T200-Fulgurit beobachtet. Die Gesamtmasse der Fulgurite (2,432 g – T100, 4,998 g – T200, 6,002 g – T300, 8,370 g – T400 und 9,589 g – T500) nimmt mit zunehmender Dauer des anhaltenden Stroms allmählich zu.

Alle Fulgurite wurden in Längsrichtung (dh parallel zur Richtung der Blitzentladung) geschnitten. Querschnitte vom Glasbereich (Mitte) zum Außenbereich sind in Abb. 4a,e dargestellt. Teilweise geschmolzene Kristalle werden in teilweise geschmolzenen und glasigen Bereichen nachgewiesen. Sie bestehen größtenteils aus Quarz mit geringem Anteil an Fe-Oxid und Kali-Feldspat, während keine restlichen Pyroxenkristalle beobachtet wurden (Abb. 4 h, j). Die anderen Oxide (z. B. Kupfer- und Wolfram-Komposite) werden ebenfalls gefunden und ihre Größe (< 103 nm) ist winzig und lässt sich in den BSE-Bildern nur schwer auflösen. Die Größe und der Anteil dieser Kristalle und Oxide ändern sich mit zunehmender Versuchsdauer nicht und weisen auch keine bestimmte räumliche Verteilung auf.

(a–e) BSE-Bilder der Halbfläche jedes geschnittenen Fulgurits, wie in Abb. 1b dargestellt. Gelbe gestrichelte Linien auf den Bildern markieren die Übergänge zwischen Texturbereichen. (f–j) Bilder der teilweise geschmolzenen Kristalle im glasigen Bereich der Fulgurite. qtz Quarz, fds Feldspat, FeO Eisenoxide, GL glasiger Bereich, PM teilweise geschmolzener Bereich, UM ungeschmolzener Bereich.

In allen Fulguriten werden Hohlräume beobachtet. Es wurde kein Zusammenhang zwischen ihrer Größe, Anzahl und räumlichen Verteilung mit der Dauer jedes Experiments gefunden. Aufgrund der teilweise geschmolzenen Kristalle weisen sie eine komplexe Form auf. Einige der Hohlräume scheinen auch zusammengewachsen zu sein. Sie häufen sich überwiegend zu einer Schicht zwischen den glasigen und teilweise geschmolzenen Bereichen an, es sind jedoch auch einige Hohlräume innerhalb der glasigen Bereiche zu erkennen. Die Hohlräume im glasigen Bereich sind bis zu 20 mm lang, wohingegen die Hohlräume zwischen den ungeschmolzenen und teilweise geschmolzenen Bereichen bis zu 0,7 mm lang sind. (Abb. 4c).

Um die Dichte und Porosität als Funktion der Schmelzdauer zu quantifizieren, verwendeten wir eine 2D-Bildanalyse (BSE) als repräsentativ für die 3D-Vesikularität in Kombination mit Heliumpyknometriedaten (Abb. 5a, b; Ergänzungstabelle S1). Die Dichte des ursprünglichen Materials (Glas + mehrphasige Kristalle) beträgt 2,42 ± 0,02 g/cm332. Zunächst wurde das gesamte am festen Fulgurit haftende, unberührte Material durch Bürsten gereinigt, bevor es auf ≤ 63 µm zerkleinert wurde, um eine korrekte Auswertung der Analysen zu ermöglichen. Die Fulgurite (Glas und teilweise geschmolzene Kristalle, möglicherweise kleinere ungeschmolzene Kristalle) weisen einen Dichtewert von etwa 2,48 ± 0,02 g/cm3 auf. Der T300 weist mit etwa 2,46 ± 0,007 g/cm3 die geringste Dichte unter allen Fulguriten auf. Der Dichtewert (2,42 ± 0,004 g/cm3) des synthetisierten LSB-Glases (Glas und mögliche kleinere Mikrokristalle) wurde ebenfalls gemessen, um ihn mit allen Fulguritproben zu vergleichen und das Ausdehnungsverhältnis von Fulguriten zu ermitteln. Die Fulgurite weisen eine etwas höhere Dichte auf als LSB und synthetisiertes LSB-Glas.

(a) Die Porositätsberechnung aus der 2D-Bildanalyse aller Fulgurite. (b) Dichtemessungen von LSB, synthetisiertem LSB-Glas und allen Fulguriten. Der braune Bereich stellt zum Vergleich die Dichten von LSB (2,42 ± 0,02 g/cm3) und synthetisiertem LSB-Glas (2,42 ± 0,004 g/cm3) dar. Der Fehler der berechneten und gemessenen Werte für jeden Versuchsdurchgang liegt innerhalb der Symbolgröße.

Zur Abschätzung des Porositätsverhältnisses wird ein Mosaik aus BSE-Bildern jedes Fulgurits verwendet. Um die Dichtemessung anzupassen, schließen wir die Hohlräume zwischen den unberührten Partikeln im ungeschmolzenen Bereich aus. Es wurde festgestellt, dass das Porositätsverhältnis der Fulgurite (glasiger + teilweise geschmolzener Bereich) von etwa 47 % in T100 auf etwa 18 % in T500 abnimmt.

Wir haben erfolgreich fünf Fulgurite aus natürlichen Vulkanascheproben mit phonolitischer Zusammensetzung und gleichmäßiger Korngrößenverteilung (< 300 µm) erzeugt, indem wir die Asche impulsartigen Hochstromtransienten und variabler Dauer des Dauerstroms ausgesetzt haben. Obwohl unser Aufbau keine direkte Beobachtung der Bildung der Fulgurite ermöglicht, ermöglichen Videografien der Experimente und eine detaillierte Charakterisierung der resultierenden Fulgurite zusammen mit den auferlegten experimentellen Bedingungen einen Einblick in die Fulguritbildung. Unsere Fulgurite haben eine röhrenartige Form mit einer dicken Glaswand und sind mit dünnen, unberührten Partikeln (Kristalle + Glas) und teilweise geschmolzenen Kristallen beschichtet. Diese Fulgurite passen nicht in die von Pasek et al.7 vorgeschlagene Fulguritklassifizierung (Typ I-Sand, II-Boden, III-Caliche, VI-Gestein und V-Tröpfchen). Obwohl dieses Klassifizierungsschema die schwierige Aufgabe angeht, die komplexe Natur von Fulguriten zu ordnen, umfasst es keine Fulgurite aus vulkanischen Protolithen. Die Materialzusammensetzung sowie die Größe und Beschaffenheit seiner Bestandteile – insbesondere wenn der Protolith aus inkohärenten Sedimenten oder klastischen Gesteinen besteht – spielen eine entscheidende Rolle für die Morphologie, Dichte, Porosität und den Glasanteil des Fulgurits unter Berücksichtigung der Schwankungen in der Strömung und Dauer des Blitzeinschlags.

Im Hochstrom- und Hochspannungsexperiment (bis zu einigen 100 kA und 150 kV) wurde das Ausgangsmaterial nur für eine sehr kurze Zeit (100 µs) einem hochenergetischen Ereignis ausgesetzt und es wurde ein teilweises Schmelzen von Partikelclustern festgestellt. Fulgurite wurden nur in den Hochspannungs- und Stromimpulsexperimenten mit einem Dauerstrom (220 A–350 A) variabler Dauer (100–500 ms) erzeugt (Abb. 3c–g). Ergebnisse der Hochstromimpulsexperimente von Genareau et al.21 stützen auch unsere Feststellung, dass der anfängliche Hochstromimpuls allein nicht ausreicht, um genügend Schmelze zu erzeugen, um einen Fulguritkörper zu erzeugen. Das Hinzufügen einer längeren Dauerstromphase ermöglicht stattdessen die notwendige Energie- (Wärme-) Übertragung, die erforderlich ist, um den Schmelzprozess des ursprünglichen Materials aufrechtzuerhalten, und ist häufig mit durch Blitzschlag entzündeten Bränden verbunden35,36,37. Gemessene Dauerströme in natürlichen Blitzen haben unterschiedliche Dauern ergeben und wurden von Lapierre et al.38 als sehr kurz (3–10 ms), kurz (10–40 ms) und lang (> 40 ms) bezeichnet. Studien zeigen, dass der anhaltende Strom nach Rückschlägen, wenn auch selten, länger als 100 ms andauern und 350 ms überschreiten kann38,39. In unserer Studie beträgt die minimale anhaltende Stromdauer, bei der erstmals ein wesentliches Schmelzen beobachtet wird, 100 ms (Experiment T100). Dies ist auch die kürzeste kontinuierliche Stromdauer, die mit unserem Aufbau erreicht werden kann; Daher können wir nicht ausschließen, dass das Schmelzen bereits durch kürzere Dauerströme erzeugt wird, wenn andere Parameter (z. B. Zusammensetzung, Korngrößenverteilung und Elektrodenabstand) konstant gehalten werden. Ein auffälliger Unterschied in der Struktur des Fulgurits wird zwischen Experimenten ohne anhaltenden Strom und einem anhaltenden Strom von 100 ms (dh den Experimenten T0 bzw. T100) beobachtet. Die Einwirkung länger anhaltender Strömungen (z. B. T200 und T300) auf das unberührte Material führt zu keinen wesentlichen strukturellen und chemischen Veränderungen der experimentellen Fulgurite im Vergleich zu T100.

Der Zustand des ursprünglichen Materials und die Blitzentladungseigenschaften haben einen starken Einfluss auf den Entstehungsprozess der Fulgurite. Silikatgläser sind aufgrund der niedrigeren Schmelztemperatur von Glas im Vergleich zu den Schmelztemperaturen von Silikatmineralien geeignetere Zielmaterialien für die Fulguriterzeugung. Das Vorhandensein von organischem Material (z. B. Flechten, Wurzeln) im ursprünglichen Material kann auch eine lokale positive elektrostatische Ladung erzeugen, an der sich der Blitz festsetzen kann19. Verbranntes organisches Material könnte somit die Chance erhöhen, Elemente in ihrer reduzierten Form (z. B. Phosphor) in der Fulguritzusammensetzung zu finden40,41. Diese Elemente werden auch als wesentliche Bestandteile der organischen Formen bezeichnet7, was Fulgurit für die Entstehung von Lebensstudien attraktiv macht. Das Vorhandensein von organischem Material in unseren unberührten Proben ist auszuschließen, da die Körner durch Freilegung von frischem Gestein gewonnen werden. Ein gewisses Maß an chemischer Verwitterung kann jedoch nicht von vornherein ausgeschlossen werden.

Zusätzliche Experimente unserer Gruppe (hier nicht vorgestellt) und Teixeira42, die unter ähnlichen elektrischen Bedingungen (konstante Experimentdauer – 500 ms) durchgeführt wurden, haben ebenfalls gezeigt, dass die Erhöhung des Anteils größerer Körner im Zielmaterial eine entscheidende Rolle bei der Fulguritbildung spielt Prozess, unabhängig von der Zusammensetzung der Mineralphase. Das Vorherrschen größerer Körner (> 300 µm) im ursprünglichen Material scheint die Formung des Fulgurits in seiner Form zu verhindern, während sie die Formung des Fulgurits in mäßigen bis geringen Mengen nicht zu verhindern scheinen. Wie in dieser Studie gezeigt, unterliegen größere Körner jedoch einer thermischen Verformung an ihren äußeren Grenzen (Abb. 4f – j). Andererseits weist Teixeira42 darauf hin, dass kleinere Körner (40–150 µm – Quarz) bei der Bildung des Fulgurits vollständig geschmolzen wurden. Wadsworth et al.43 stützen unsere Feststellung auch dadurch, dass sich die Kanten der kleineren (fast 310 µm) Vulkanaschepartikel im ionisierten Blitzkanal bei Erwärmungsdauern von 3 ms und Temperaturen über 3000 K aufrunden würden, während größere Körner ihre Kanten behalten würden ursprüngliche Form. Elmi et al.40 zeigen, dass ein unzerkleinertes holokristallines Gestein (ein unveränderter Block einer Granitgesteinsprobe), der der Wechselstromquellenspannung (bis zu 150 kV) mit einem Elektrodenabstand von 26,5 cm ausgesetzt wurde, ebenfalls keine Schmelze erzeugte. Dies weist darauf hin, dass die Bildung einer fulguritischen Masse stark gehemmt wird, wenn die Korngröße einen bestimmten Grenzwert überschreitet.

Die Morphologie des Fulgurits hängt stark vom Zustand des ursprünglichen Materials ab. Beispielsweise verringert der homogene Zielmaterialgehalt die Wahrscheinlichkeit der Verzweigungsbildung aufgrund der Wurzel mit geringem Widerstand für die Blitzentladungen, während der heterogene Gehalt des Zielmaterials die Wurzel mit dem geringsten Widerstand erhöht und erzeugte Fulgurite mehrere Zweige unterschiedlicher Größe aufweisen können. Daher gibt es bei unseren Fulguriten, die aus homogenem Material erzeugt werden, nahezu keine Verzweigungen. (Abb. 3e,f).

Die durchschnittliche Länge aller Fulgurite wird mit fast 45 mm gemessen, mit Ausnahme von T500 – 35 mm. Es ist ersichtlich, dass die Länge der Fulgurite durch den angegebenen Elektrodenabstand (50 mm) begrenzt ist. Das Verhältnis des durchschnittlichen Durchmessers zwischen dem Fulgurit (insgesamt fast 25 mm) und dem zentralen Haupthohlraum (ca. 5 mm) beträgt 5 und ist für alle experimentellen Fulgurite ähnlich, mit Ausnahme des Experiments 500 ms. Es ist klar, dass eine längere Zeit (kontinuierlicher Strom), mit der das Zielmaterial bei gleichem Abstand der Elektroden erhitzt wird, die Rohrgeometrie von Fulgurit nicht verändert, bis die Dichte des geschmolzenen Materials in der Lage ist, während des Abkühlens eine einzigartige Form beizubehalten. Sobald wir diesen Punkt überschreiten, der in der vorliegenden Studie zur jeweiligen Zusammensetzung bei 500 ms liegt, kollabiert die Rohrstruktur und zerstört die Haupthohlräume. Andererseits wissen wir aus anderen Versuchsexperimenten, dass eine Vergrößerung des Elektrodenabstands unabhängig von der Zusammensetzung des Zielmaterials zu einer Verringerung des Durchmessers des zentralen Hohlraums führt.

Die Schüttmasse der Fulgurite nimmt mit der Dauer der anhaltenden Strömung zu; Allerdings schwankt die Dichte der Fulgurite in einem sehr engen Bereich (ca. 2,48 ± 0,01 g/cm3). Dies kann durch die Stabilisierung des Gesamtvolumens aufgrund der Abnahme der Porosität erklärt werden (Abb. 5a,b). Eine längere Zeit der Wärmeübertragung (dh längere anhaltende Ströme) erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass Hohlräume zusammenwachsen und schließlich kollabieren, wodurch die Gesamtporosität verringert wird. Es wird daher erwartet, dass Experimente mit längerer Dauer eine zunehmend zunehmende Schüttdichte zeigen würden. T300 ist das beste Beispiel für den umgekehrt proportionalen Zusammenhang zwischen Porosität und Dichte. Im Allgemeinen ist der Dichtewert der Fulgurite höher als der des ursprünglichen LSB (2,42 ± 0,02 g/cm3) und des synthetisierten LSB-Glases (fast 2,42 ± 0,004 g/cm3). Für diese spezielle Zusammensetzung weisen die Pyknometrieergebnisse einige Inkonsistenzen auf, die auf eine Reihe von Gründen zurückzuführen sein könnten: (1) die Mikroporosität des ursprünglichen blasenförmigen Materials behindert die Wiederholbarkeit der Dichtemessungen; (2) die begrenzte Verfügbarkeit kleiner Fulguritfragmente (< 1 g) im Verhältnis zum Volumen der Pyknometer-Messzelle; die Menge an unberührten und teilweise geschmolzenen Partikeln zerkleinerter Stücke von Fulguriten. Dennoch liegen die Dichtewerte der untersuchten Proben sehr nahe beieinander, weshalb wir zu dem Schluss kommen, dass die beobachteten Schwankungen als vernachlässigbar angesehen werden können und innerhalb des experimentellen Fehlers liegen.

Die dielektrische Feldstärke des Zielmaterials, die direkt mit der Zusammensetzung zusammenhängt, begrenzt den Strom, den die Blitzentladung erreichen muss, um das Schmelzen auszulösen. Die Glasübergangstemperatur (Peak) wurde für die natürliche LSB-Probe (Glas + Kristalle) bei ~ 718 °C, für den experimentellen Fulgurit (Glas + mögliche geringe Menge teilweise geschmolzener Kristalle) bei ~ 694 °C und bei ~ 693 °C bestimmt °C für das umgeschmolzene LSB-Glas (Abb. 6). Die Temperaturen der Fulguritprobe und des synthetisierten LSB-Glases sind innerhalb der Fehlergrenzen (± 1 °C) identisch. Der Glasübergang in Fulgurit begrenzt die Verformung der Probe während des Blitzeinschlags. Der geschätzte Glasübergangspeak gibt die erforderliche Temperatur zum Erweichen des Glases des natürlichen LSB an. Trotz technischer Einschränkungen, die uns daran hindern, die mögliche Temperatur zu bestimmen, die das Plasma erreichen kann, deuten frühere Untersuchungen darauf hin, dass es in Mikrosekunden Temperaturen von bis zu 32.000 K erreichen könnte44. Es ist bemerkenswert, dass 1600 °C die untere Grenze der Mindesttemperatur unseres simulierten Lichtbogenplasmas darstellt, da eine dünne Schmelzschicht einige verbleibende Quarzkristalle bedeckt, die den feuerfeststen Kristall der ursprünglichen Mineralansammlung mit einem Schmelzpunkt nahe 1600 °C darstellen bei atmosphärischem Druck45. Die Verteilung des glasigen und kristallinen Bereichs in den Fulguriten zeigt auch das Vorhandensein eines bemerkenswerten Wärmegradienten zur Außenoberfläche aller Fulgurite. Die Struktur der Körner als Überbleibsel des Ausgangsmaterials im Fulgurit könnte relativ genutzt werden, um die mittlere Dauer der Energieübertragung durch Blitzentladung abzuschätzen.

Gleichzeitige thermische Analysen der experimentellen Fulgurit-, synthetisierten LSB-Glas- und natürlichen LSB-Proben (Rohdaten). Die umgekehrten Dreiecke beziehen sich auf die geschätzte maximale Glasübergangstemperatur für jede Probe.

Die in dieser Studie erzeugten experimentell erzeugten Fulgurite weisen eine bemerkenswerte Ähnlichkeit mit in der Natur vorkommenden Fulguriten auf. Somit bieten unser Versuchsaufbau und unser implementiertes Protokoll einen gültigen Weg, der die natürliche Fulguritbildung gut annähert. Am bemerkenswertesten ist, dass wir feststellen, dass das Vorhandensein einer kontinuierlichen Stromphase in der Entladung die notwendige Wärmeübertragung ermöglicht, um das Schmelzen des ursprünglichen Materials zu bewirken.

Mit diesen Ergebnissen können wir beginnen, eine Kalibrierung zu erstellen, um die Parameter der Blitzentladungen aus den Eigenschaften natürlicher Fulgurite abzuleiten. Die Bestimmung einer Mindesttemperatur des Blitzeinschlags soll anhand der Phasenschmelze möglich sein. Die Spannungsfestigkeit des Zielmaterials, die direkt mit der Zusammensetzung zusammenhängt, bestimmt den Strom, den die Blitzentladung erreichen muss, um ein Schmelzen zu erzeugen. Anhand der Form der Körner als Rest des Ausgangsmaterials im Fulgurit lässt sich die durchschnittliche Dauer der Energieübertragung per Blitzentladung abschätzen.

Abschließend wird diese Aufklärungsstudie zum Zusammenhang zwischen Blitzen und Fulguritbildung hoffentlich in naher Zukunft eine Gelegenheit bieten, die Bedeutung dieses Prozesses für die Erzeugung von Reaktanten für die präbiotische Chemie auf der frühen Erde zu untersuchen.

Um die morphologischen Eigenschaften des Fulgurits zu quantifizieren, wurden alle Fulgurite mit einer Präzisions-Diamantdrahtsäge senkrecht zu ihrer Längsachse geschnitten. Danach wurden die Hälfte jeder Fulguritprobe und etwa 50 g natürliches LSB- und synthetisiertes LSB-Glas in einem Achatmörser in einer Vibrationsmühle auf 63 µm für die Helium-Pyknometer-Analyse gemahlen. Zur weiteren Analyse wurden aus der anderen Hälfte jedes Fulgurits auch eingebettete Epoxidharzhalterungen hergestellt.

Der natürliche Apatit und der experimentell erzeugte Fulgurit wurden mit einem Hitachi SU 5000 Rasterelektronenmikroskop (REM) am Department für Geo- und Umweltwissenschaften der LMU München analysiert. Rückstreuelektronenbilder (BSE) repräsentativer Teile des Apatits und Fulgurits wurden bei unterschiedlicher Vergrößerung (z. B. 100-fach, 200-fach usw.) aufgenommen. Die Datenerfassung wurde von Aztech (Version 6.0, Oxford Instrument, AZtechEnergy Advanced EDX-System) durchgeführt.

Die Dichte von natürlichem LSB, synthetisiertem LSB-Glas und allen Fulguriten wurde mit einem Quantachrome-Heliumpyknometer an der LMU München gemessen. Jeder Fulgurit wurde der Länge nach halbiert und diese halben Teile des Fulgurits wurden für die Messungen verwendet. Alle Proben wurden auf 63 µm zerkleinert, um Hohlräume zu beseitigen, insbesondere die isolierte Porosität, die die Dichtemessungen beeinträchtigen kann. Jede der Dichten wurde mindestens zehnmal gemessen und die Werte sind in der Ergänzungstabelle S1 aufgeführt.

Die kalorimetrischen Glasübergangstemperaturen wurden mit einem Netzsch 404 C Pegasus gemessen. Proben zwischen 50 und 60 mg wurden in einen Pt-Tiegel gegeben und in einer dynamischen, hochreinen Argonatmosphäre über den Glasübergangspeak erhitzt. Anschließend wurden die Proben abgekühlt und anschließend mit einer Rate von 10 K/min erneut erhitzt. Die höchsten Glasübergangstemperaturen wurden aus den Wiedererwärmungssegmenten ermittelt. In Abbildung 6 sind die DSC-Rohkurven für die verschiedenen Proben dargestellt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurden die Proben manuell verschoben. Basierend auf einer Temperaturkalibrierung unter Verwendung der Schmelzpunkte von Indium, Zink, Aluminium und Gold muss auf alle Glasübergangstemperaturen eine Temperaturkorrektur von − 4,2 °C angewendet werden. Der Fehler der Temperaturmessungen beträgt ± 1 °C.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel [und seinen ergänzenden Informationsdateien] enthalten.

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Die Forschung wurde mit Unterstützung der Volkswagen Stiftung (VW Stiftung) Projekt-ID 94809 finanziert. DBD dankt dem European Research Council Grant ERC 2018 ADV Grant 834255 (EAVESDROP) für die Unterstützung. CC erkennt die Unterstützung von ERC-2019-COG 864052 an.

Open-Access-Förderung ermöglicht und organisiert durch Projekt DEAL.

Fachbereich Geo- und Umweltwissenschaften, Ludwig-Maximilians-Universität, Theresienstraße 41, 80333, München, Deutschland

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

Institute of Energy Systems Munich, Universität der Bundeswehr, Werner-Heisenberg-Weg 39, 85577, Neubiberg, Germany

Alessandra SB Camara

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AZÇ., CC und DBD haben die Studie entworfen. AZÇ., ASBC und CC verarbeiteten die simulierten Blitzexperimente. AZÇ., KUH und CC führten die qualitativen und quantitativen Analysen durch. AZÇ. analysierte die Daten, visualisierte die Ergebnisse und verfasste das Originalmanuskript. Alle Autoren haben zum Manuskript beigetragen.

Korrespondenz mit A. Zeynep Çalışkanoğlu.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Çalışkanoğlu, AZ, Camara, ASB, Cimarelli, C. et al. Experimentelle Erzeugung von Fulgurit unter realistischen Blitzentladungsbedingungen. Sci Rep 13, 11685 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-38781-8

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Eingegangen: 01. März 2023

Angenommen: 14. Juli 2023

Veröffentlicht: 19. Juli 2023

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

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Experimentelle Erzeugung von Fulgurit unter realistischen Blitzentladungsbedingungen