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凝固闪电的“树枝”

2013-05-28

初中生世界·八年级物理版 2013年6期
关键词:二氧化硅玻璃管熔岩

闪电创造的奇迹

每一分钟,地球上就会出现1800~2500次闪电.闪电闪亮的那一瞬间,温度高达30000℃,是太阳表面温度的5倍多,因此任何物质只要被闪电碰到,后果可想而知.但是地面上就有爱招惹是非的物体,喜欢招引较低空的闪电,例如大树、人类竖起的天线以及高山的山顶等.只见耀眼的白光闪过,树冠被闪电拦腰截断.每个从云端窜到地面的闪电都具有109~1010焦耳的能量,接近一个小型水电站1小时的发电量,但这些能量的大部分都化为光、雷声和电磁波释放掉了,能够在地面上逞强的能量只不过是少部分.不过,就这少部分能量也足以摧毁所碰到的一切东西,并创造出罕见的奇迹.这时,我们若去闪电击中的地方挖掘,很可能就会在地表下面一点儿的位置挖出一截半透明的坚硬“树枝”.

半透明的“树枝”只是看起来像树枝,它其实并不是真正的树枝,而是有麻点的树枝状“玻璃管”,有的是灰白色,有的是茶褐色,有的则是亮黑色,真是天和地共创的艺术品.玻璃管内部中空,长度在1~5米不等,直径在2~8厘米之间,表面沾满了沙粒.玻璃管的直径虽然较粗,但是玻璃管的壁厚却只有0.5~2毫米厚,有的只有一层纸那么厚,而且玻璃管的壁厚好像与管的直径没有任何关系.它虽然摸起来比较坚硬,但比较脆,不容易钻孔.虽然玻璃管的表面斑斑点点,有点像毛玻璃,但是其内部却是镜面般的光滑,孔道弯弯曲曲,还布满了许多气泡.

在烈火中永生

这种奇怪的“树枝”已被人类当做艺术品摆设和买卖.它的科学名字叫“闪电熔岩”.当闪电冲击地面时,若地面是绝缘的沙土或岩石,而且沙土或岩石的下面又存在容易导电的潮湿地层时,电流就会在沙土或岩石中穿行,试图向深处的潮湿地层钻去.但这一过程是瞬间的,瞬间的高温熔化了周围的沙子或岩石,电流所到之处呈现树枝状,与空中的闪电形状类似,因此被闪电熔融的沙子也会呈现树枝状.但在熔化沙子的同时,沙土中的空气和零星水分也被加热了,气体膨胀推动着熔化的二氧化硅(沙石的主要成分),就像我们在熔融的玻璃中吹气一样,气体在树枝状熔融的二氧化硅中蔓延.电流窜过沙土层到达导电地层之后,被大地吸收,之后热量很快散发,温度的降低又很快使熔融的二氧化硅凝固而形成玻璃(玻璃的主要成分就是二氧化硅).绝缘沙土层的厚度决定了闪电熔岩的长度,因为闪电熔岩一般就像树枝一样竖立着.

闪电击中沙地所形成的熔岩和击中岩石所形成的熔岩不同,前者叫做焦石英闪电熔岩或者沙土闪电熔岩,熔岩的成分是二氧化硅;后者则叫岩石熔岩,是闪电击中了光秃秃的岩石表面形成的,看起来就像在岩石表面覆盖上一薄层玻璃,或者镶嵌上短短的小管子,或者深入岩石内部形成玻璃穿孔.这种玻璃含有的二氧化硅量少,颜色与岩石的组成有关,多种多样.

被发现的岩石熔岩一般出现在山顶,当然若岩石下面有导电物质时,闪电也会光顾山脚部位.例如,地下有电缆的地方就容易招致雷电的袭击,美国某电厂的电缆就埋在一些岩石下面,曾有许多次,闪电狠狠地击中了埋有电缆的岩石.在那儿,闪电岩石的寻觅者们靠着精湛的技术,挖掘出了藏匿在岩石内部的闪电熔岩,他们还找到了一根登上吉尼斯世界纪录的最长的闪电熔岩,足有5米多长,具有两个几乎相互垂直的分叉.现在这块天地共创的艺术品正在博物馆中被当做中心装饰品摆放着.这块熔岩含有的成分不是二氧化硅,而是75%的十字石、15%的钛铁矿和10%的金红矿.

我们也来制造闪电熔岩

闪电熔岩的形成除了需要高温的闪电电击之外,地面必须是沙土或岩石,地表下面几米处还必须存在导电的地层,而且闪电电流强度需要达到千万安培,才可能形成强大的能量,在绝缘的沙土或岩石中蜿蜒穿行数米.其实除了闪电之外,我们的大自然还有一种制造玻璃的方式:陨石撞击地面,撞击所产生的瞬时高温熔化沙土,这时形成的玻璃叫做陨石玻璃,或者玻陨石.

有趣的是,人类在实验室内也可以模拟闪电熔岩的形成条件,制造出人工闪电熔岩,足以以假乱真.德国的某大学就掌握了这项技术,科学家让持续几毫秒的5万多安培的电弧穿过沙子,就制造出了闪电熔岩.他们还发现,几百安培的电流也可以形成闪电熔岩,但是必须持续的时间较长,一般需要几百毫秒,这样可以制造出直径为0.7~1.5厘米的小型闪电熔岩,而且电流越低,熔岩的枝杈就会越少.

远古的闪电熔岩

由于闪电熔岩是极高温度下形成的玻璃,很难被腐蚀,会在土壤中保存很长时间.因此,它们可以被用作研究古地球环境的指示品.

例如,在非洲撒哈拉沙漠地区曾经发现了很多闪电熔岩,但是现在,那里异常干燥,很难有闪电,也就不会形成闪电熔岩.因此可以推测,古时撒哈拉地区的气候与今天应该不同.有一块来自北非撒哈拉沙漠的闪电熔岩,人们通过激光切开其内部的气泡后,发现闪电熔岩内的气体是以二氧化碳、一氧化碳及一氧化氮为主,这些气体并非闪电熔岩形成时的大气组成,而是因闪电打击沙石时,所碰到的有机物被氧化形成的.进一步分析可以揭示,这些有机物是来自耐干旱的草本植物.由于此前人们已经确定出这块闪电熔岩的形成时间约在1.5万年以前,因此可以认为,目前贫瘠的沙漠地区在1.5万年前曾布满野草与灌木,电闪雷鸣在当时来说是很常见的.

欣赏闪电熔岩的人越来越多了,精美的闪电熔岩还将告诉我们更多的信息.

(摘自《大科技·科学之谜》2007年11期)

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