L'étude a examiné une fulgurite rocheuse - une fine couche de verre qui se forme lorsque la foudre frappe la surface d'une roche. L'échantillon a été prélevé sur le mont Mottarone, dans le nord de l'Italie. Crédit :Reto Gieré
Benjamin Franklin, fondateur de l'Université de Pennsylvanie, aurait expérimenté les puissantes propriétés de la foudre à l'aide d'un cerf-volant et d'une clé, probablement proche de s'électrocuter dans le processus.
Dans une nouvelle série d'expériences à Penn, les chercheurs ont sondé la puissance de la foudre d'une manière moins risquée mais beaucoup plus avancée sur le plan technologique.
Chiara Elmi, chercheur postdoctoral au département des sciences de la Terre et de l'environnement de Penn à la School of Arts &Sciences, a dirigé les travaux, qui a utilisé une suite de techniques pour examiner une fulgurite, une fine couche de verre qui se forme à la surface de la roche lorsque la foudre la frappe. Entre autres constatations, l'étude a découvert que, sur la base du matériau cristallin dans l'échantillon, la température minimale à laquelle la fulgurite s'est formée était d'environ 1, 700 degrés Celsius.
"Les gens ont utilisé des approches morphologiques et chimiques pour étudier les fulgurites rocheuses, mais c'était la première fois qu'une fulgurite rocheuse était classée d'un point de vue minéralogique, " a déclaré Elmi. " J'ai pu adapter une approche que j'ai utilisée auparavant pour étudier les effets de l'impact des météorites dans les roches et les sédiments pour analyser une infime quantité de matériau afin de comprendre les transitions de phase qui se produisent lorsqu'un éclair frappe un Roche."
Elmi a collaboré au travail avec l'auteur principal Reto Gieré, professeur et président du Département des sciences de la Terre et de l'environnement, avec Jiangzhi Chen du département, un chercheur postdoctoral, et David Goldsby, un professeur agrégé.
Leur article sera publié dans la revue Minéralogiste américain .
Dans une étude publiée l'année dernière, Gieré a caractérisé une fulgurite rocheuse trouvée dans le sud de la France, constatant que l'éclair qui l'a frappé a transformé la couche de roche sous la fulgurite au niveau atomique, produisant des structures révélatrices appelées lamelles de choc.
L'équipe a voulu poursuivre une ligne d'étude différente dans le nouveau travail.
Une image au microscope électronique du granit frappé par la foudre montre la fulgurite, la couche supérieure avec des bulles, et les couches de quartz et de feldspath en dessous. Crédit :Chiara Elmi utilisant la microscopie électronique environnementale au Penn's Singh Center for Nanotechnology
"Dans ce cas, " dit Giéré, "Nous voulions plutôt étudier la couche de verre plus en détail pour découvrir ce que les minéraux présents pourraient nous dire sur la température de la foudre."
Faire cela, Elmi a effectué une analyse de diffraction des rayons X, qui recueille des informations sur la façon dont les rayons X interagissent avec les matériaux cristallins pour déduire la teneur en minéraux d'un échantillon donné. Le défi dans ce cas, cependant, était qu'une analyse de diffraction des rayons X typique nécessite environ un gramme de matériau, et la quantité de fulgurite de 10 micromètres d'épaisseur n'était pas si importante.
Pour adapter la technique à une plus petite quantité d'échantillon, Elmi a mis le matériel dans un étroit, tube capillaire rotatif et ajusté l'optique de diffraction pour aligner, concentrer et diriger le faisceau de rayons X vers l'échantillon. L'analyse de la fulgurite a révélé la présence de verre ainsi que de cristobalite, un minéral ayant la même composition chimique que le quartz mais possédant une structure cristalline distincte. La cristobalite ne se forme qu'à très haute température, et le verre indiquait que la couche supérieure de granit avait fondu pendant le coup de foudre. L'analyse d'Elmi lui a permis de quantifier pour la première fois le verre et les minéraux résiduels dans une fulgurite de roche.
"Ces deux signatures indiquent un système qui a reçu un choc de haute température, " a déclaré Elmi. " Cette analyse indique également la température minimale que vous devez créer le verre car la cristobalite se forme autour de 1, 700 degrés Celsius, vous savez donc que cette température a été atteinte lorsque la foudre a frappé le rocher."
La température mesurée de la foudre dans l'air est en fait beaucoup plus élevée - mesurée à environ 30, 000 degrés Celsius, mais cette analyse indique que la roche elle-même a été élevée de la température ambiante à au moins 1, 700 degrés Celsius.
L'équipe a effectué des analyses supplémentaires sur l'échantillon de fulgurite. Ils ont trouvé de la matière organique dans l'échantillon, indiquant que la foudre a brûlé du lichen ou de la mousse poussant à la surface de la roche, puis l'a piégé à l'intérieur du matériau.
"C'est un événement extrêmement rapide, " dit Gieré. " La roche se réchauffe très vite et se refroidit aussi très vite. Cela emprisonne les gaz dans le verre et certains de ces gaz ont été formés par la combustion de matières organiques. »
Dans les études futures, l'équipe espère développer un modèle complet de ce qui arrive aux roches lors d'un coup de foudre, incorporant des produits chimiques, physique, observations biologiques et minéralogiques. Ils notent que les personnes comme Franklin qui ont subi des quasi-accidents avec la foudre ont vraiment de la chance.
"C'est incroyable qu'un éclair puisse faire fondre le granit et changer complètement sa structure, pourtant certaines personnes survivent à la foudre, " a déclaré Giéré.
