Jään ilmiöt auttavat selittämään salamoinnin alkuperän

Uusi tutkimus paljastaa, kuinka tavallinen jää voi tuottaa sähköä, ja tarjoaa sitä myötä ratkaisevan näkemyksen salamoinnin alkuperästä.

Tutkimus havaitsi, että jäällä on voimakas fleksoelektrisyys – sähkömekaaninen ilmiö, joka syntyy, kun materiaalia taivutetaan.

Stony Brook yliopiston Seawulf supertietokoneklusterin avulla tohtoriopiskelija Anthony Mannino suoritti laajamittaisia kvanttisimulaatioita, jotka paljastivat, kuinka jään pinta voi käydä läpi hienovaraisen ferroelektrisen järjestäytymisen matalissa lämpötiloissa. Tämä järjestäytyminen vahvistaa fleksoelektristä ilmiötä ja selittää, kuinka jäähiukkasten ja ukkospilvien puristeiden törmäykset voivat aiheuttaa massiivisia varauserottumisia, jotka johtavat salamointiin.

”On jännittävää, äärimmäisen palkitsevaa ja hyvin yhdenmukaista laskennan perustavanlaatuisen roolin kanssa nykytieteessä”, sanoo professori Alan Calder. ”Kuten tämä tutkimus osoittaa, älykkäiden tutkijoiden ja edistyneen laskennan yhdistelmällä taivas tai ainakin sen läpi iskivät salamat ovat kirjaimellisesti rajana.”

Stony Brookin tutkimus pohjautuu Fernandez-Serra -ryhmän yli vuosikymmen sitten tekemään tutkimukseen, jossa aiemmin löydettiin jään poikkeavia ydinkvantti-ilmiöitä. Tuossa työssä pyrittiin selvittämään veden perustavanlaatuista anomaliaa, ja uusi tutkimus jatkaa tätä perinnettä tunnistamalla aiemmin tuntemattoman jään sähkömekaanisen ominaisuuden.

Tämä näyttää olevan esimerkki siitä, miten edistyneet simulaatiot ja kokeet täydentävät toisiaan. Anthony Manninon Seawulf-klusterissa suorittamat simulaatiot yhdistävät jään atomitason fysiikan yhteen luonnon dramaattisimmista makroskooppisista ilmiöistä: salamointiin.

Yhdistämällä kvanttiteorian, suurteholaskennan ja ilmakehätieteen Stony Brookin tiimi on auttanut selittämään pitkään jatkuneen pilvien sähköistämiseen liittyvän arvoituksen.

”Olemme erittäin ylpeitä tästä kokeen ja teorian yhteistyöstä”, sanoi professori Fernandez-Serra. ”Kun kollegamme Barcelonassa lähestyivät meitä merkittävien tulostensa kanssa teoreettisen tuen etsinnässä, olimme aluksi skeptisiä sen suhteen, pystyisimmekö simuloimaan niin monimutkaista järjestelmää. Mutta Anthony osoitti, että havaittu faasimuutos voidaan toistaa yhdistämällä simulaatioita yksinkertaiseen fyysiseen malliin – mikä tarjoaa selkeän selityksen kokeille materiaalissa, jota on tunnetusti vaikea mallintaa jään tavoin.”

Aiheesta aiemmin:

Salama on syntynyt!

Mikrosalamat, sähkökenttä ja elämä maapallolla?

Aaltoputkia ilmaan ja salamalle