今日の豆知識：タール火山で起きた噴火はなぜ雷を呼ぶのか：「粒子の帯電」現象の謎

一作日のタール火山噴火で見られた異常なカミナリ。これは何処から来るのか？電磁波で電子機器は大丈夫か？色々な？が浮かぶが、以下WIREDの記事から。。

これは砂粒などの微細な粒子が互いに衝突しあうと、電荷が蓄積する。砂嵐や、噴火時の立ち上る火山灰から、稲妻が発せられることもある（火山雷と呼ばれる）。

この現象は長らく物理学者たちの頭を悩ませてきたが、『Nature Physics』誌の次号に掲載予定の研究論文が示唆するところによると、粒子は衝突のさいに電荷を垂直方向に移動させ、粒子の雲の中で、正の電荷は下方へ、負の電荷は上方へ動くのだという。

この発見は、さまざまな現実的問題の解決に役立つ可能性がある。たとえば、火星探査機のソーラーパネルに帯電ダストが付着する問題や、ヘリコプターが砂漠で離着陸する際に時おり発生する危険な放電の問題などだ。粉粒体サイロでも、粉塵が問題を起こすことがあり、時おり電荷が蓄積して爆発する例が見られる。また製薬業界では、細かい粒子状の薬剤が帯電し、うまく混ざらないことがあると、チューリッヒ工科大学の材料研究者Hans Herrmann氏は説明する。

[ヘリコプターのローターに見られる「コロナ放電」現象は「Kopp-Etchells効果」と呼ばれる。リンク先に画像あり。また、文末に動画を掲載。飛行機でも、火山灰等の中を飛ぶときに翼がコロナ放電で発光する場合がある

Herrmann氏によると、同氏がこの現象に興味を持ったのは、夜間に砂漠にいて、砂丘の上を旋回する砂が発光するのを見たときだという。「粒子は通常、衝突すると電気的に中性化するはずだが、なぜ電荷が堆積していくのだろうか」

Herrmann氏は、同じ大学のThomas Pahtz氏、およびラトガーズ大学(ニュージャージー州ピスカタウェイ・キャンパス)のTroy Shinbrot氏とともに、帯電が生じる過程を説明するモデルを作った。それによると、衝突前の粒子では、全体の電荷は中性となっているが、背景の電場により分極されており、負の電荷は地面に対して上方へ、正の電荷は下方へ移動する。衝突の際に、粒子は接触点において互いを中性化するが、再び離れる時にはさらに分極され、粒子端部に電荷がますます蓄積するという。

「衝突が起こると、そのたびに電荷が上から下へと移動する(ポンピングされる)」と、研究チームのShinbrot氏は話す。チームは、コンピューターでシミュレーションを行なった後、ガラスビーズを用いた実験を繰り返して、理論の実証を試みた。

クリーブランド州にあるケース・ウェスタン・リザーブ大学の材料物理学者、Daniel Lacks氏によれば、今回の研究成果は、粒子雲において実際に作用している複数のメカニズムの1つを特定できるかもしれないという。Lacks氏は先行研究において、帯電は粒子の大きさに依存し、小さな粒子は負の電荷を、大きな粒子は正の電荷を帯びる傾向があることを証明している。

「要するに、同じ組成を持つ2つの粒子が衝突する際に、一方が負の電荷を、他方が正の電荷を帯びるためには、両者の対称性を破るものが何か必要になるということだ」とLacks氏は言う。粒子のサイズが異なる場合は、Lacks氏が証明したメカニズムが作用している可能性があり、粒子のサイズが同一の場合は、今回の新モデルのようなメカニズムが帯電を生じさせている可能性があると、Lacks氏は述べている。

しかし、粒子を帯電させる背景電場がどこから来るのかなど、依然としていくつかの疑問が残されている