Физики из Китая и США нашли новое объяснение, почему метан на болотах начинает гореть холодным пламенем, порождая таинственные блуждающие огоньки.
Все дело в искривленной границе раздела пузырьков газа в воде — такая геометрия позволила накопить и перераспределить заряды для пробоя, который оказался достаточным для запуска окислительно-восстановительной реакции. Об экспериментальном подтверждении своей гипотезы исследователи рассказали в Proceedings of the National Academy of Sciences, где также отметили роль подобных электрических разрядов в прояснении и других природных явлений.
Если очутиться ночью на болотах или очень старом кладбище, то при удачном стечении обстоятельств можно заметить блуждающие огни — слабые языки пламени синего цвета. Хотя в народной культуре это явление всегда считалось мистическим, физики считают, что причиной феномена может быть «холодное» горение метана, которого с избытком хватает в болотистой местности: такое низкотемпературное окисление приводит к хемилюминесценции фиолетово-синего цвета.
Однако чтобы метан горел, необходима достаточно большая энергия активации — примерно 420 килоджоулей на моль, что на самом деле очень много для относительно пассивных условий природы. В связи с этим физики выдвинули гипотезу о статическом электричестве и примесях фосфина, но убедительного доказательства до сих пор не нашли.
Ричард Зэйр (Richard Zare) из Стэнфордского университета совместно с коллегами из Китая и США выдвинул новую теорию о природе блуждающих огней. Физики предположили, что причиной могут быть микроразряды электричества между пузырьками метана в воде, поскольку электрическое поле растет с кривизной границы, разделяющей жидкость и газ. Распад или слипание таких пузырьков должно вести к перераспределению зарядов в системе, и если два противоположно заряженных пузырька окажутся на близком расстоянии, то локальное электрическое поле может достичь величины пробоя и создать разряд, достаточный для воспламенения газа.
Чтобы проверить свою догадку, исследователи собрали генератор микропузырьков и пропустили смесь воздуха с метаном через воду. Во время барботажа ученые засняли на высокоскоростную камеру кратковременные локальные вспышки между соседними пузырьками. При этом разряды проскакивали даже тогда, когда через воду пропускали только воздух или смесь воздуха с молекулярным водородом. Помимо этого физики проанализировали эмиссионные спектры и обнаружили усиление излучения в области 330-370 нанометров, что совпало с профилем электронно-возбужденного формальдегида и гидроксильных радикалов (ранее эти два вещества уже замечали в экспериментах с холодным пламенем).
Авторы работы также отметили, что кратковременные электрические разряды на границе раздела могут играть важную роль и во многих других природных и искусственных системах, устанавливая явную связь между окислительно-восстановительными процессами и их проявлениями.
Автор: Егор Конюхов