Алессандро ВольтаВ 1776 году у него возникла догадка. Он предположил, что блуждающие огоньки, эти синие огоньки, пляшущие по ночам над болотами, должны быть как-то связаны с электричеством. Затем появились метан, фосфин и теории о болотном газе. Но всегда не хватало одного: кто поджигает фитиль? Теперь группа химиков из Стэнфорда засняла ответ на высокоскоростную камеру.
Это происходит меньше чем за миллисекунду между двумя пузырьками, соприкасающимися в воде. Искра. Не такая большая, как молния, но достаточная, чтобы вызвать реакцию метана с кислородом. Ни тепла, ни настоящего пламени. Только холодный сине-фиолетовый свет, парящий в воздухе, словно призрак. Блуждающие огоньки — это не потерянные души. Это микромолнии. И они меняют наш взгляд на химию водно-болотных угодий, метан в атмосфере, а возможно, даже на происхождение жизни на Земле.
Лаборатория, где рождаются призраки
Ричард Заре, химик Стэнфордский университет, годами изучает пузырьки. В своей лаборатории он построил сопло, которое распыляет метан и воздух в прозрачный резервуар. Высокоскоростные камеры направлены на пузырьки. И там, посреди воды, происходит нечто, чего никто никогда не снимал: субмиллисекундные вспышки света между приближающимися пузырьками. Команда опубликовала результаты на Труды Национальной академии наук, закрывая многовековую загадку.
Когда пузырьки находятся на границе раздела воды и воздуха, электрические заряды на их поверхностях разделяются: отрицательные заряды накапливаются на более мелких пузырьках, положительные — на более крупных. Эта разница создаёт электрические поля на небольших расстояниях, которые вызывают микромолнии. «Никто не верит, что вода может быть связана с огнём», — прокомментировал Заре.
«Считается, что вода тушит огонь. Никто не объяснял нам, что из воды можно высечь искру и поджечь что-нибудь: это что-то новое».
Блуждающие огоньки: холодное окисление, а не горение
Высокоскоростная камера засняла крошечные вспышки света, создаваемые сталкивающимися пузырьками. Другие приборы зафиксировали ультрафиолетовое свечение, вызванное флуоресценцией формальдегида, соединения, образующегося при окислении метана. Но есть одна деталь, которая объясняет, почему легенды всегда рассказывают об огнях, которые... «они не нагреваются»: это не настоящее горение. Это холодное окислениеХимическая реакция, в результате которой возникает свет без значительного выделения тепла.
Я учусь, опубликовано в PNAS, демонстрирует, что микромолнии между микропузырьками метана обеспечивают естественный механизм зажигания для окисления метана в условиях окружающей среды. Электрические разряды достаточно энергичны, чтобы возбудить, диссоциировать или ионизировать молекулы окружающего газа.
Джеймс АндерсонХимик из Гарварда, не принимавший участия в исследовании, назвал открытие «действительно захватывающим шагом вперед», поскольку оно раскрывает механизм, посредством которого химические реакции могут запускаться без внешних источников возгорания.
Века легенд, лабораторное объяснение
На протяжении столетий блуждающие огоньки служили источником легенд по всему миру. В Шотландии их называли мужественные. В Японии Хитодама, души умерших. В англосаксонском фольклоре они были блуждающий огонь, фонари Уилла, злого кузнеца, обречённого вечно скитаться с горящим углём, чтобы заманивать путников в ловушку. За всеми этими историями скрывается реальный феномен: сине-зелёные огни, появлявшиеся над болотами, торфяниками и кладбищами, особенно тёплыми летними вечерами.
Химическая основа была известна давно. Болота – это фабрики метана: это бедная кислородом среда, где микробы разлагают органические вещества, выделяя газ. Кислотная среда замедляет разложение, и метан накапливается и поднимается. Но сам по себе метан не воспламеняется при низких температурах. Требовалось объяснение первоначальной искры. По данным Phys.orgПредыдущие гипотезы включали фосфин (крайне нестабильный газ, который самовоспламеняется) или электростатический разряд, но ни одна из них не имела убедительных экспериментальных доказательств.
Метан, климат и неожиданные последствия
Открытие микромолний не просто решает фольклорную загадку. Оно имеет значение для химии окружающей среды и климата. Как мы уже сообщали в прошломМетан — чрезвычайно мощный парниковый газ, ответственный примерно за 30% глобального потепления с доиндустриальной эпохи. Водно-болотные угодья — один из основных природных источников выбросов. Понимание взаимодействия метана с окружающей средой, включая механизмы спонтанного окисления, помогает строить более точные климатические модели.
Но это ещё не всё. Зар и его команда уже выдвинули гипотезу, предыдущие исследования, опубликованные в журнале Science Advances, что микромолнии между каплями воды могли стать источником искр, необходимых для возникновения биомолекул, необходимых для жизни на ранней Земле. Если крошечные электрические разряды способны запускать сложные химические реакции без атмосферных молний, то зарождение жизни могло быть гораздо более «локальным», чем мы думали. Не нужно ждать грозы: достаточно лишь пузырька воды в нужном месте.
Грэм Кукс, химик университет ПердьюСказал Наука что химические реакции, вызываемые микропузырьками, «окажут себя гораздо более масштабным и общим явлением». Его команда уже использует вариант подхода Зара для одновременного запуска тысяч отдельных химических реакций, надеясь открыть новые способы синтеза соединений.
Блуждающие огоньки: Вольта был прав, но по неправильным причинам.
В конце концов, Алессандро Вольта оказался прав. Электричество действительно имело к этому какое-то отношение. Только это не было громом среди ясного неба, как он думал. Это было нечто гораздо меньшее, скрытое среди пузырьков. Как отмечает Scientific AmericanОткрытие является результатом применения современных технологий к древним вопросам: высокоскоростных камер, спектрометров, счетчиков фотонов.
Блуждающие огоньки по-прежнему редкость для наблюдения. Возможно, потому, что сократились площади водно-болотных угодий. Возможно, потому, что искусственное освещение сделало такие слабые огни невидимыми. Или, как предполагают некоторые скептики, потому, что путешественники когда-то носили с собой фонари с открытым пламенем, способные воспламенять метан. Но теперь мы знаем, что этот механизм существует, работает и может быть воспроизведен в лаборатории.
Легенды гласят о духах, которые улетают при вашем приближении. Объяснение проще: ваше движение создаёт потоки воздуха, которые рассеивают газ и гасят реакцию. Никакой магии, просто гидродинамика. Но тот факт, что вода может генерировать искры, достаточно сильные, чтобы что-то поджечь, в конечном счёте достаточно странен, чтобы казаться магией.
Только на этот раз мы знаем, как это работает.
