"Небесное стекло" на Земле: уникальные находки

Пояснительная записка

Освоение каждой новой темы школьного курса физики позволяет, используя дополнительно к материалам учебника научно-познавательную информацию, привить школьникам желание самостоятельно расширять границы познания.

Предлагаемый материал может быть использован на уроках физики в 8 и 10 классе в процессе освоения темы "Электрические явления" или "Электрический ток в различных средах". Смысловое чтение текста и ответы на вопросы в конце него позволят сделать процесс обучения  личностно-ориентированным, активизировать мотивацию школьников.

Текст может быть исследован, дополнен и стать основой дискуссии во внеурочной работе со школьниками.

«Небесное стекло» - уникальные находки на Земле

Не читая текст, размещенный ниже, рассмотрите веточки на рисунке. Выскажите предположение о том, что запечатлено на фото.

Если уникальные очертания необычного минерала напомнили ветви коралла, и вывод, казалось бы, очевиден, Вы ошиблись. Это образцы «небесного стекла» - природного сплава, которые время от времени появляются на прибрежном песке или на оплавленных вершинах горных образований. Невысокая вероятность их образования определяется целой совокупностью необходимых условий и факторов, поэтому таких, а каждый из них неповторим по форме, «продуктов» электромагнитных природных явлений на Земле немного, являются уникальными находками не только для ученых-физиков и химиков, объектами поиска коллекционеров и мастеров, изготавливающих из них украшения, амулеты, талисманы и обереги.[1]

Фульгурит – термин происходит от латинского «fulgur - молния» и греческого «подобный», то есть буквально «земной след небесной молнии».

Космические аппараты, находящиеся на орбите, ежедневно фиксируют множество атак электрических разрядов разной продолжительности и мощности на участки земной поверхности и различные объекты на ней. Но фульгуриты не образуются при ударах молнии, приходящихся на плодородные грунты: мокрая почва, имея высокую электропроводимость, позволяет электрическому заряду растечься во все стороны от эпицентра. Получается, что энергии разряда молнии не хватает для того, чтобы довести температуру мокрой земли до температуры плавления минералов, в ней присутствующих. Кроме того, проходя сквозь слои атмосферы, молния использует большую часть накопленной энергии на пробой диэлектрика; это и объясняет нечастые образования фульгуритов даже при попадании разряда молнии в песчаный грунт.

Измерения показывают, что чаще всего продолжительность разряда молнии–доли секунды, редко – от трех до пяти секунд; уникальными являются молнии, длящиеся более десяти секунд. Энергии лишь редкой молнии достаточно для того, чтобы даже под ливнем в точке её попадания в грунт, содержащий нужные компоненты, смогло образоваться причудливой формы «небесное стекло». Электрический разряд обеспечивает мгновенное испарение влаги в грунте, а образовавшиеся водяные пары раздувают полученный расплав в полые трубки сложной формы круглого или сложного сечения. Внутренняя часть трубок гладкая, если образец грунта содержит много кремнезема, а форма фульгурита во многом определяется процентным содержанием влаги в песке. Сечение фульгуритных трубок – на фото:

[2]

Они бывают черными или белыми, зелеными или коричневыми в зависимости от минерального состава грунта.

Первый фульгурит, найденный Витирингом возле корней дерева, погибшего от удара молнии, датируется 1790 годом. Известен единственный случай обнаружения фульгурита на скальном выходе в базальтовой породе. В 1983 году геолог Цюрупа А.И. и геофизик Лунев Б. на склоне вулкан на Камчатке Кроноцкая сопка обнаружили трубчатые блестящего черного стекла образования с небольшим количеством ветвистых зон, имеющих сечение до 6 мм и длину до 20 см. Находка вулканологов и проведенная в дальнейшем серия исследований «небесного стекла» дали специалистам неоценимую информацию по структуре и свойствам фульгуритов.[3]

В чем же суть процесса, в результате которого могут образоваться трубчатые на поверхности песка или ветвисто-«коралловые» под слоем песка? Когда разряд молнии, имеющий температуру до 30000 К, попадает в песок, пронзая его толщу, электрический разряд в одно мгновение превращает влагу в пар высокого давления, повышая температуру воздуха между частицами песка до тысячеградусных значений. Траектория движения тока в грунте - область плавления породы и интенсивного испарения влаги. Песок, температура плавления которого составляет 17000С, в процессе превращения в диоксид кремния в присутствие расширяющегося воздуха, образует цилиндрические полые трубки с SiO2-стенками. Остывшие, они и становятся фульгуритами – неповторимыми минералами трубчатого строения, похожими по форме либо на коралл или древесные корни, либо на единичные «ствольные» образования.

Чтобы образовался фульгурит, похожий на коралл или на ветвистые корни дерева, молния должна попасть в мокрый песок, в котором кратковременный электрический ток силой тока не менее 100 кА (максимальное фиксированное значение – 200 кА) распространяется от точки попадания в различных направлениях. Электропроводность мокрого песка выше, чем сухого, именно это физическое свойство вещества и определяет форму образовавшихся ветвей фульгурита.

Если мощному воздействию молнии до начала дождя подвержены скальные породы или участки возвышенности песчано-меловой структуры, практически не содержащие грунтовые воды, возможно образование фульгуритов причудливых форм с невысокой пористостью. Такие особенные образования получили собственное «имя» - петрофульгуриты, таких стеклоподобных образований зеленых оттенков особенно много на вершине горы Малый Арарат. [2]

Те, кому хочется найти ветку фульгурита, должны помнить, что образование это весьма хрупкое, поэтому требует осторожности при извлечении из грунта. Извлеченные и затем тщательно очищенные от прилипшего грунта хрупкие образования имеют трубки диаметром от нескольких миллиметров до 3-5 сантиметров, а длина ветвей может достигать трех метров. Немногие образования фульгурит-кораллов специалистам удалось извлечь из песка полностью; есть факты о ветвях, уходящих на глубины до 5 метров, которые так и не получилось увидеть во всей красе, без повреждений.

Вопросы к тексту:

1. Назовите минимальную границу температуры в процессе образования фульгурита. Почему она не может быть ниже названного вами значения?

2. Почему электропроводность сухого песка ниже, чем мокрого?

3. Представьте, что в группе искателей фульгуритов Вы – разработчик маршрута новой экспедиции. Составьте (в 3-5 предложений) описание места, куда следует отправиться группе, чтобы стать обладателями уникального творения природы. Можно указать географическую точку на карте или её название.

Источники информации:

1. https://pointeresam.ru/fact/neobychnye-prirodnye-obrazovaniya-i-soedineniya-fulgurit-steklo-obrazovannoe-molniej

2. https://finesell.ru/zagadki-gipotezi/fulgurit.html

3. https://shkolazhizni.ru/world/articles/52853

Обращаю внимание экспертов, что количество ошибок, указанное программой Текст.ру, связано с "незнанием" специфических терминов и сокращений, принятых в физике. Например, в тексте кА - килоампер-тысяча апмер (единица измерения силы тока) указано как ошибка.