Pytanie do zespołu „Eksperymentu Myślowego” od @pgabrych (Twitter): Czemu kurz zbija się w tzw. koty?

Kurz najłatwiej zbija się w „koty” w pewnych charakterystycznych miejscach, najczęściej pod meblami, gdzie najtrudniej sięgnąć szczotką lub odkurzaczem (a zatem kurz może ewoluować bez zakłóceń), a także tam, gdzie regularnie występuje ruch powietrza (na przykład na kratkach wywietrzników i na wentylatorach chłodzących radiatory komputerów). Jeśli przyjrzymy się „kotu” uważnie, znajdziemy w nim najrozmaitsze składniki włókniste: włosy człowieka i sierść zwierząt domowych, fragmenty włókien naturalnych i syntetycznych oraz inne drobinki: złuszczony naskórek, pyłki roślin, zarodniki grzybów, strzępki pajęczyn, drobiny żywności, fragmenty ciała martwych stawonogów i ich odchody, drobiny mineralne, pyłowe zanieczyszczenia powietrza, a nawet pył mikrometeorytowy (opadający bez przerwy na Ziemię w ilości rzędu 0,01 kg/km² dziennie).

Dlaczego kurz ma tendencję do tworzenia puszystych skupień? Po pierwsze – zauważmy, że jego składniki są lekkie i może je unieść lub przesunąć nawet słabiutki strumień powietrza, powstający, gdy otwieramy drzwi lub okna, pozwalamy wtargnąć z zewnątrz podmuchowi wiatru, a nawet gdy po prostu poruszamy się po pomieszczeniu i wykonujemy różne czynności domowe. Przemieszczając się, drobiny kurzu przelotnie stykają się z sobą i mogą się mechanicznie splątać, zwłaszcza jeśli mają strukturę włóknistą, a powierzchnię pokrytą mikroskopijnymi nierównościami. Ale jest jeszcze inny, istotniejszy czynnik, który pomaga im tworzyć skupienia: elektrostatyka.

Zapewne zdarzyło Wam się wstać z fotela, dotknąć uziemionego metalowego przedmiotu w suchym pomieszczeniu i doznać nieprzyjemnego „kopnięcia prądem”, połączonego z przeskokiem iskry. Jeśli ubranie i obicie fotela wykonane są z różnych materiałów, oddalonych od siebie w tzw. szeregu tryboelektrycznym, kontakt między nimi powoduje wędrówkę ładunków elektrycznych na styku ich powierzchni. Suche powietrze jest dobrym izolatorem, więc wstając z fotela, rozdzielamy te ładunki. Tapicerka fotela i nasze ciało pozostają naładowane (z przeciwnymi znakami). Między naszym ciałem a przedmiotami w jego otoczeniu powstaje różnica potencjału. Jeśli jest ona wystarczająco duża, dotknięcie klamki, uchwytu lodówki, kaloryfera, metalowego zlewu, a nawet czyjejś ręki powoduje, że zgromadzony ładunek pokonuje rezystancję skóry i gwałtownie odpływa jako impuls prądu elektrycznego.

Samo zjawisko elektryzowania się obiektów przez kontakt i tarcie jest dobrze znane od starożytności: prefiks elektro- pochodzi od greckiego ḗlektron ‘bursztyn’ (substancja łatwo ulegająca naładowaniu przez potarcie, o czym pisał już Pliniusz Starszy w I w. n.e.). Wykorzystywane jest od dawna w klasycznych maszynach elektrostatycznych (takich, jakie posiada każda szkolna pracownia fizyczna) czy w generatorach Van de Graafa, ale nadal nie wszystkie szczegóły jego mechanizmu są wyczerpująco opisane od strony teoretycznej. Na potrzeby naszej dyskusji wystarczy jednak wiedzieć, że drobiny składające się na to, co nazywamy kurzem, popychane przez ruchy powietrza, mogą gromadzić ładunki elektryczne przez kontakt z materiałami, z którymi się stykają, a nawet wskutek tarcia aerodynamicznego.

Nie są to ładunki wielkie (w odróżnieniu np. od ładunku gromadzącego się w kroplach wody i kryształkach lodu w chmurze burzowej), ale wystarczają, żeby powodować indukcję – polaryzację ładunków elektrycznych w jeszcze mniejszych drobinach w swoim najbliższym otoczeniu. Choć cząstka kurzu jako całość ma sumaryczny ładunek zerowy, to ładunki dodatnie i ujemne w jej molekułach „rozjeżdżają się” pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego. Cząstki te mają tak znikomą masę, że siły kulombowskie łatwo przyciągają je do większej cząstki wcześniej naelektryzowanej, podobnie jak skrawki papieru przywierają do potartej o tkaninę bryłki bursztynu.

Powstaje w ten sposób „ośrodek kondensacji kota”, który jako całość o ażurowej, „fraktalnej” strukturze i dużej powierzchni w stosunku do masy łatwo gromadzi jeszcze większy ładunek elektryczny, przesuwając się nieznacznie pod meblami pod wpływem podmuchów powietrza, a przez to tym łatwiej przyciąga jeszcze więcej spolaryzowanych elektrycznie cząstek pyłu. Ta kombinacja mechanicznego splątania włókienek z przyciąganiem elektrostatycznym wszelkich drobin powoduje, że „kot” rośnie jak na drożdżach i może osiągnąć imponujące rozmiary, zanim odkryjemy go przy jakichś generalnych porządkach.

Nawiasem mówiąc, polski nie jest jedynym językiem, który używa „figury zoologicznej”, aby nazwać opisywane zjawisko. Po angielsku „kot” nazywa się zwykle dust bunny (czyli króliczek z kurzu). Po niemiecku mamy z kolei takie określenia jak Wollmaus (mysz wełniana) lub Staubmaus (mysz z kurzu), a w wariancie austriackim Lurch (płaz). Po fińsku „kota” określa się słowem villakoira (pudel, dosłownie: ‘wełniany pies’). „Koty” mogą zresztą obrastać we własną faunę, na którą składają się głównie szeroko rozpowszechnione roztocze z rodziny Pyroglyphidae. Nie są one pasożytnicze, odżywiają się szczątkami organicznymi (np. złuszczonym naskórkiem), ale bywają dokuczliwe pośrednio, ponieważ ich odchody mogą wywoływać u ludzi reakcje alergiczne, takie jak atopowe zapalenie skóry albo astma oskrzelowa. Dlatego lepiej nie hodować pod łóżkiem zbyt opasłych kotów.

Astrofizycy modelujący zachowanie cząstek pyłu kosmicznego np. w dyskach protoplanetarnych nie bardzo potrafili wyjaśnić, w jaki sposób cząstki, które osiągnęły średnicę około milimetra, mogą dalej ulegać zbrylaniu w większe obiekty, aż staną się zdolne do grawitacyjnego skupiania się w planetezymale (zarodki planetoid i planet) o rozmiarach kilometrowych lub większych. Modele sugerowały, że cząstki milimetrowej lub centymetrowej wielkości powinny raczej odbijać się od siebie i pozostawać w rozdrobnieniu w wyniku zderzeń. Eksperymenty dowiodły jednak, że kolizje między takimi okruchami mogą powodować powstawanie par drobin przeciwnie naładowanych nawet jeśli składają się one z tego samego materiału. W przestrzeni kosmicznej nie brak też innych mechanizmów elektryzujących cząstki pyłu, takich jak plazma generowana przez promieniowanie kosmiczne albo rozpad izotopów promieniotwórczych (takich jak ²⁶Al albo ⁴⁰K), powstających wskutek zderzeń wysokoenergetycznych protonów z jądrami atomów bądź wyrzucanych przez supernowe. Przyciąganie kulombowskie umożliwia zatem zbrylanie się pyłu i likwiduje „barierę ewolucyjną”, która uniemożliwiałaby ciągły wzrost rozmiarów bryłek między skalą mikrometrową (gdzie rolę „kleju” odgrywają siły van der Waalsa) a planetezymalami (gdzie pałeczkę przejmuje grawitacja).

Jeśli tak jest w istocie, to „koty” pod łóżkiem pomagają zrozumieć, jak powstają układy planetarne.

Linki uzupełniające

Co do kosmicznych dust bunnies, patrz: https://www.nature.com/articles/s41567-019-0728-9

A co ma z tym wszystkim wspólnego Brian May, gitarzysta Queen (ale także doktor astronomii i specjalista od pyłu kosmicznego)? https://www.esa.int/Space_Safety/Hera/Brian_May_helps_show_Hera_s_target_asteroid_may_be_dust_bunny