Kép forrása: pexels.com
A légköri elektromos kisülések vizsgálata az atmoszferikus fizika egyik legösszetettebb területe. A zivatarcellákban kialakuló potenciálkülönbség, a levegő ionizációja és a plazmafizikai folyamatok olyan extrém körülményeket hoznak létre, amelyek rövid időre meghaladják a Nap fotoszférájában mérhető hőmérsékletet. A villámcsatornában kialakuló 20 000–30 000 °C közötti hőmérséklet nem csupán látványos jelenség, hanem a légkör elektromos tulajdonságait meghatározó, rendkívül gyors energiaátadási folyamat eredménye.
A konvektív zivatarfelhőkben végbemenő töltésszétválás jól ismert modellek szerint több mechanizmus kombinációjából áll:
-
Jégkristályok és jégszemcsék ütközése
A fel- és leáramlások hatására különböző halmazállapotú jégszemcsék ütköznek. A töltések triboelektromos úton válnak szét: a könnyebb, pozitív töltésű részecskék a felhő felső részébe kerülnek, a nehezebb, negatív töltésűek a középső régióba. -
Töltésfelhalmozódás és elektromos tér növekedése
Amikor az így létrejövő elektromos tér erőssége eléri a kritikus értéket (tipikusan 2–3 MV/m), a levegő szigetelő képessége összeomlik. -
Lépcsőzetes előkisülések (stepped leader)
A villámcsatorna elsődleges kialakulása lépcsőzetes, szakaszos vezető kialvarozást követ, amely több száz méteres mikrocsatornák sorozatából épül fel.
Az előkisülés és a talajról induló ellenkisülés (return stroke) találkozásakor alakul ki a teljes vezető plazmacsatorna, amelyen az áramlökés végigfut.
A villámcsatornában uralkodó extrém hőmérséklet elsősorban a Joule-hatás eredménye: a több tízezer amperes áram egy néhány centiméter vastag, erősen ionizált levegőoszlopban halad át.
Kiemelt tényezők:
-
Áram erőssége: 20–200 kA
-
Kisülési idő: néhány tíz mikro- és néhány milliszekundum
-
Csatornaátmérő: 1–5 cm
-
Ionizált plazma: elektronok, ionok, fotonok nagy energiasűrűséggel
A rendkívül gyors energiabevitel következtében a levegő molekulái szinte azonnal disszociálódnak és ionizálódnak, a csatorna körül pedig lökéshullám indul ki, amely makroszkopikus szinten dörgésként érzékelhető.
Miért nem olvaszt meg mindent a villám?
A villám hatása a becsapási ponton jelentős, de a környező anyagok teljes megolvadása a következő okok miatt nem következik be:
-
Az extrém hő rövid ideig hat. A csatorna néhány tíz milliszekundum alatt hűl vissza.
-
A levegő nagy része elnyeli az energiát. A hő nagy része a csatornán belül marad, nem adódik át hatékonyan a talajnak.
-
A vezetőképesség iránya korlátozott. Az áram az előre kialakult plazmaútvonalon halad, nem „árasztja el” a környezetet.
Ennek ellenére vannak markáns hatások:
-
fulguritképződés (üveges csatornák homokban),
-
fák robbanása a hirtelen kigőzölgő nedvesség miatt,
-
sziklák repedése,
-
elektromos rendszerek megsemmisülése indukált feszültség miatt.
A villámlás kutatásának jelenlegi kérdései
A modern műszerek ellenére a villámok keletkezése és viselkedése továbbra is több nyitott kérdést tartalmaz:
1. Indító mechanizmusok
A “runaway breakdown” elmélet alapján a kozmikus sugárzásból származó nagyenergiás részecskék is szerepet játszhatnak az elsődleges kisülés elindításában.
2. Felhőn belüli folyamatok részletes mechanikája
A konvektív áramlások és a mikrofizikai csapadékfolyamatok összekapcsolása továbbra is modellezési kihívás.
3. Föld-felhő és felhő-felhő kisülések aránya és dinamikája
A legtöbb villám felhőn belül zajlik, ezek energetikája eltér a talajba csapó kisülésekétől.
Irányított villámok és jövőbeli technológiák
A közelmúlt kísérletei – például a lézerrel vezetett villámeltérítés – azt mutatják, hogy a nagy teljesítményű femtoszekundumos lézerimpulzusok képesek:
-
ionizált lézercsatornát létrehozni,
-
csökkenteni a levegő lokális ellenállását,
-
a kisülést rávezetni erre az előre kialakított útvonalra.
Ez a technológia még kísérleti stádiumban van, de potenciálisan alkalmazható lehet a villámvédelem és az atmoszferikus kutatás területén.
A villámcsatorna 30 000 °C-ot is meghaladó hőmérséklete a légköri elektromos kisülések sajátos fizikai környezetéből, a magas áramerősségből és a plazmaállapot gyors kialakulásából adódik. A folyamatok jelentős részét ma már megértjük, azonban a villámok teljes dinamikája, különösen keletkezésük mechanizmusa és a felhőn belüli töltésmozgás részletei továbbra is aktív kutatási területet jelentenek.
