สำหรับประวัติศาสตร์ของมนุษย์ส่วนใหญ่ผู้คนต่างก็หวาดกลัวฟ้าผ่า-สลักเกลียวที่น่ากลัวจากด้านบนสายฟ้าเป็นเครื่องมือของเทพเจ้าเพื่อโจมตีมนุษย์สำหรับความโอหังของพวกเขา (หรือความชอบที่โชคร้ายของพวกเขาสำหรับการหาที่พักพิงจากพายุใต้ต้นไม้)
การค้นพบและการดำเนินการของสายฟ้าฟาดของเบนจามินแฟรงคลินเชื่องสิ่งนี้เป็นอาวุธอันศักดิ์สิทธิ์และเป็นอาวุธอันศักดิ์สิทธิ์ อย่างไรก็ตามความแข็งแกร่งของสายฟ้ายังคงสะท้อนอยู่ในจินตนาการของเรา ฮอลลีวูดพิจารณาว่ามีพลังมากพอที่จะอนุญาตให้รถยนต์ที่ออกแบบมาอย่างแปลกประหลาดตั้งแต่ต้นทศวรรษ 1980 ถึงทำลายความต่อเนื่องของอวกาศ-
ในโลกหนังสือการ์ตูนมันเป็นส่วนผสมในสูตรสำหรับการพัฒนามหาอำนาจ- มันยังได้รับอำนาจกลับมามีชีวิตอีกครั้งแม้ว่าจะไม่ได้มีเอฟเฟกต์ที่ตั้งใจไว้เสมอไป
มีพลังงานเท่าไหร่ในสายฟ้าฟาด? อาจดูเหมือนว่าคำถามนี้ควรได้รับคำตอบอย่างแน่นอนมาก่อน แต่กลับกลายเป็นว่ามันยากที่จะตอบเชิงปริมาณ
ในการวิจัยของฉันเราแก้ไขปัญหานี้ในรูปแบบใหม่: เราอนุมานได้ว่าสายฟ้ามีขนาดใหญ่ขึ้นอยู่กับขนาดของหินที่เกิดจากฟ้าผ่า
ประมาณการคร่าวๆ
Lightning นั้นทรงพลังอย่างเห็นได้ชัด: เราต้องดูต้นไม้ที่แตกลงตรงกลางเพื่อพิสูจน์ ฟ้าผ่าสร้างอุณหภูมิที่ร้อนกว่าพื้นผิวของดวงอาทิตย์เกิน 20,000 องศาเซลเซียสอุณหภูมิที่ไม่สามารถตอบสนองต่อประสบการณ์ของมนุษย์ได้
การวัดอุณหภูมินี้ให้วิธีหนึ่งในการประเมินพลังงานของสายฟ้า- ต้องใช้พลังงานในปริมาณหนึ่งในการให้ความร้อนแก่อากาศที่อุณหภูมิสูง
ด้วยการวัดความยาวของการโจมตีด้วยฟ้าผ่าคูณด้วยพลังงานต่อความยาวที่จำเป็นในการทำให้อากาศร้อนขึ้นถึงหมื่นองศาเราสามารถคำนวณพลังงานของสายฟ้าได้
อีกวิธีหนึ่งเราสามารถเข้าใกล้การวัดพลังงานฟ้าผ่าโดยพิจารณาแรงดันไฟฟ้าของการนัดหยุดงาน
โวลต์เป็นการวัดปริมาณพลังงานที่ปล่อยออกมาเนื่องจากอิเล็กตรอนแต่ละชุดจะไหลจากด้านหนึ่งของวัตถุไปยังอีกด้านหนึ่งเช่นแบตเตอรี่
เมื่อมีสายฟ้าแลบเราสามารถกำหนดไฟล์แรงดันไฟฟ้าที่เกิดขึ้นกับ Powerlines ใกล้เคียง- การวัดมีตั้งแต่หลายแสนถึงล้านโวลต์
จากกฎของโอห์มเราสามารถคำนวณพลังของสายฟ้าได้โดยการคูณสิ่งนี้ด้วยจำนวนอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ในระหว่างการนัดหยุดงานซึ่งเป็นค่าที่เรียกว่ากระแสไฟฟ้า หากเรารู้ระยะเวลาของการนัดหยุดงานนี้เราสามารถคำนวณพลังงานได้
วิธีการเหล่านี้มีข้อผิดพลาดที่หลากหลาย: ไม่คำนวณความยาวของการโจมตีด้วยฟ้าผ่าอย่างถูกต้องหรือรับปริมาณก๊าซที่ร้อนต่อความยาวไม่ถูกต้องหรืออุณหภูมิหรือแรงดันไฟฟ้าหรือจำนวนอิเล็กตรอน - ทั้งหมดให้ข้อผิดพลาดขนาดใหญ่สำหรับการคำนวณเหล่านี้
จะมีเส้นทางอื่นในการคำนวณพลังงานฟ้าผ่าที่อาจลดข้อผิดพลาดเหล่านี้ลงได้หรือไม่? ธรณีวิทยาที่เป็นเอกลักษณ์ของฟลอริดาเป็นเส้นทางที่น่าสนใจในการตอบคำถามนี้
ฟ้าผ่าฟอสซิล
ฟลอริดามีแนวโน้มที่จะเป็นรัฐที่น่าเบื่อสำหรับผู้ที่ชื่นชอบหิน มีทรายและมีหินปูน ไม่มากนักและทั้งหมดก็ยังเด็กพูดทางธรณีวิทยา
บางครั้งทรายอยู่ด้านบนของหินปูนและบางครั้งก็อยู่ด้านข้าง บางครั้งทรายถูกฝากเมื่อ 15 ล้านปีก่อนบางครั้ง 5 ล้านปีที่แล้ว มีทรายมากมาย
สภาพอากาศของฟลอริดาน่าสนใจกว่าเล็กน้อย จริงๆแล้วมันคือรัฐของสหรัฐอเมริกาส่วนใหญ่มักถูกฟ้าผ่า-
หลายครั้งที่ฟ้าผ่านี้กระทบทรายที่ครอบคลุมรัฐ เมื่อมันทำเช่นนั้นมันจะสร้างหินชนิดใหม่ที่เรียกว่า fulgurite - ท่อกลวงที่เกิดขึ้นเมื่อฟ้าผ่าเคลื่อนที่ผ่านทรายระเหยไอและละลายขอบด้านนอก
เมื่อทรายเย็นลงซึ่งเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วท่อกลวงจะถูกแช่แข็งในแก้วบันทึกเส้นทางที่สายฟ้าเดินทาง ตามคำนิยาม Fulgurite เป็นหินแปรที่เปลี่ยนไปด้วยความร้อนและความดันจากทรายเป็นสิ่งใหม่
โดยทั่วไปแล้ว Fulgurites จะหายากเว้นแต่คุณจะรู้ว่าจะดูที่ไหน Central Peninsular Florida มีเหมืองทรายหลายแห่งที่จัดหาวัตถุดิบสำหรับถนนและซีเมนต์สนามกอล์ฟและสนามเด็กเล่น
ที่หนึ่งไซต์เรารวบรวม fulgurites หลายร้อย; มากกว่า 250 วางอยู่ในสนามโดยมีอีกมากมายที่พบในกองริบกรองออกจากทรายก่อนที่จะถูกโหลดลงบนรถบรรทุก
ไซต์เหล่านี้ไม่ได้แตกต่างจากสถานที่อื่น ๆ ในฟลอริดา - พวกเขาไม่ใช่แม่เหล็กสายฟ้า - แต่การตั้งค่าทางธรณีวิทยานั้นเหมาะสมสำหรับการรักษาพวกเขาไว้เป็นเวลานาน
เหมืองทรายเหล่านี้อาจมีฟูลัตต์มูลค่าประมาณหนึ่งล้านปีที่ถูกฝังอยู่ในพวกเขา หาง่าย - เนื่องจากแก้วไม่ใช่สิ่งที่คุณต้องการในทรายในเชิงพาณิชย์เหมืองจะกรองพวกเขาออก
Fulgurites มีความหนาตั้งแต่ขนาดเล็กของทารกจนถึงขนาดของแขนของมนุษย์ในความหนา
สิ่งที่หนาขึ้นจะต้องเกิดขึ้นจากสายฟ้าฟาดที่มีพลังมากขึ้น: ฟูลัทที่หนาขึ้นหมายถึงทรายที่ต้องระเหยมากขึ้น Fulgurites ส่วนใหญ่ที่เรากู้คืนนั้นเป็นชิ้นส่วนสั้น ๆ แม้ว่าชิ้นส่วนที่ยาวที่สุดที่พบคือหลายาวหรือสอง
การคำนวณจาก fulgurites
ต้องใช้พลังงานในปริมาณที่เฉพาะเจาะจงในการเป็นไอทรายเป็นก๊าซ ก่อนอื่นทรายจะต้องถูกทำให้ร้อนประมาณ 1,700 ° C ประมาณอุณหภูมิของลาวาที่หลอมเหลว
ที่อุณหภูมินี้ทรายจะละลาย จากนั้นทรายที่หลอมเหลวจะต้องร้อนเพียงแค่ขี้อายของ 3000 ° C เมื่อมันกลายเป็นไอ ใช้พลังงานประมาณ 15 megajoules ในการให้ความร้อนและระเหยเป็นกิโลกรัมทราย
นั่นคือปริมาณพลังงานที่ครัวเรือนโดยเฉลี่ยของสหรัฐอเมริกาใช้ในหกชั่วโมงหรือพลังงานจลน์ที่รถเฉลี่ยจะมีถ้ามันไป 300 ไมล์ต่อชั่วโมง
fulgurite ที่ใหญ่ที่สุดที่พบในระหว่างการกู้คืนที่เหมืองทราย รูปภาพ: Matt Pasek
หลังจากวัดฟุลกูไรต์ของเราเราได้พิจารณาแล้วว่าโดยเฉลี่ยแล้วพลังงานที่จำเป็นในการสร้างหินเหล่านี้อย่างน้อยประมาณหนึ่ง megajoule ต่อเมตรของ fulgurite ที่เกิดขึ้น เราคำนวณพลังงานต่อเมตรนับตั้งแต่ในกรณีส่วนใหญ่ฟุลกูไรต์ที่เรารวบรวมได้ถูกทำลาย
ดังนั้นจากการคำนวณของเราฮอลลีวูดเข้ามาใกล้แค่ไหนโดยมีการประมาณการเช่นในกลับไปสู่อนาคต1.21 Gigawatts of Power ในฟ้าผ่า?
พลังงานคือพลังงานต่อครั้งและการวัดฟุลกูร์ตของเราแนะนำว่าพลังงานขนาดใหญ่ทำให้หินเป็นพันถึงล้านวินาที ดังนั้น Gigawatt จึงอยู่ด้านล่าง - พลังฟ้าผ่าอาจเป็นพันเท่าที่เอื้อมมือไปที่ Terawatts แม้ว่าค่าเฉลี่ยอาจเป็นสิบของ Gigawatts
นั่นเป็นพลังงานเพียงพอที่จะใช้พลังงานประมาณหนึ่งพันล้านบ้านแม้ว่าจะเพียงไม่กี่ล้านวินาทีเท่านั้น น่าเสียดายที่ด้วยธรรมชาติที่ไม่อาจคาดเดาได้และไม่สามารถคาดเดาได้ไม่มีกริดพลังงานจะสามารถควบคุมสายฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ
แต่ด้วยพลังที่มากบางทีการทำลายความต่อเนื่องของอวกาศใน Delorean ที่ซุปซุปนั้นไม่เป็นไปไม่ได้เลย….
ความแปลกประหลาดในรูปแบบ
เมื่อเราดูที่ fulgurites เหล่านี้ในเชิงลึกมีบางอย่างแปลก ๆ ออกมาจากข้อมูล การวัดพลังงานของเราตามสิ่งที่เรียกว่าแนวโน้ม 'lognormal'
แทนที่จะทำตามเส้นโค้งระฆังที่เรามักจะเห็นในการกระจายปรากฏการณ์ธรรมชาติ - เช่นความสูงของผู้ชายอเมริกัน - เส้นโค้งพลังงานมีความสมดุลน้อยกว่าเท่ากัน สำหรับความสูงผู้ชายจำนวนเท่ากันนั้นสูงกว่าค่าเฉลี่ยสองนิ้วเช่นเดียวกับสองนิ้วด้านล่าง
แต่สำหรับฟ้าผ่าการโจมตีด้วยฟ้าผ่าขนาดใหญ่นั้นใหญ่กว่าค่าเฉลี่ยมากในขณะที่การนัดหยุดงานที่เล็กกว่านั้นไม่น้อยกว่าค่าเฉลี่ยมากนัก การนัดหยุดงานที่เป็นสองเท่าของค่าเฉลี่ยนั้นพบได้บ่อยเหมือนครึ่งหนึ่งของค่าเฉลี่ย
ตอนนี้ทำไมสิ่งนี้ถึงน่าสนใจหรือมีประโยชน์ทั้งหมด? การวัดพลังงานในฟ้าผ่าเป็นวิธีการวัดความเสียหายที่อาจเกิดขึ้น: การโจมตีด้วยฟ้าผ่าสามารถไอระเหยได้ดังนั้นมันจะทำอย่างไรกับไม้หรืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์?
การวัดของเราแสดงให้เห็นว่าการโจมตีด้วยฟ้าผ่าที่ใหญ่ที่สุดคือทวีคูณของการโจมตีด้วยฟ้าผ่าโดยเฉลี่ย: ขนาดใหญ่อาจมีขนาดใหญ่ถึง 20 เท่าของค่าเฉลี่ย
นั่นเป็นจำนวนมากสำหรับไฟล์ระบบป้องกันฟ้าผ่าเพื่อจัดการ พลังงานสูงสุดที่คำนวณจากวิธีการที่ใช้หินของเราอาจให้ความคิดเกี่ยวกับความเสียหายสูงสุดที่เราคาดหวังและในที่สุดอาจอนุญาตให้มีการเตรียมการที่ดีขึ้นกับสถานการณ์ที่เลวร้ายที่สุด
Matthew Pasekรองศาสตราจารย์ด้านธรณีศาสตร์มหาวิทยาลัยเซาท์ฟลอริดา
บทความนี้เผยแพร่ครั้งแรกโดยบทสนทนา- อ่านบทความต้นฉบับ-
