Mi fán teremnek a villámok?

A villámok a természet egyik leglátványosabb jelenségei, számos típusuk ismert, de felismerjük őket?

http://www.idokep.hu/hirek/mi-fan-teremnek-a-villamok

A villámlás és égzengés már valószínűleg az őskorban is foglalkoztatta az akkor élő embereket. Az őket leginkább befolyásoló dolgok az égből érkeztek, a megszemélyesített természeti erőket istenként tisztelték, a villámlás nagy valószínűséggel félelemmel töltötte el őket.
A villámok szinte minden kultúrában szimbolikus jelentőséggel bírtak. Az ókori etruszk vallás szerint a villámokból jósolni lehet, a görögök főistene, Zeusz, aki mint az ölümposzi istenek karának vezetője,  az időjárás, a villámok és a mennydörgés istene,  aki haragjában viharokat zúdít a népre.

A villámok kutatásában csak a 18. század hoz előrelépést, amikor is az amerikai Benjamin Franklin feltalálja a villámhárítót 1752-ben, illetve ő mutatta ki először, villámlás tulajdonképpen egy hatalmas elektromos kisülés. Ő vezette be először a pozitív és negatív töltés fogalmát. Korának másik úttörője, Georg Wilhelm Richmann, német származású orosz fizikus, aki a légköri villamosságot tanulmányozta és mérte a Föld és a felhők potenciálkülönbségét. Tragikus halálát egy villámkísérlet okozta szentpétervári házában 1753-ban.

Az azóta eltelt több mint 250 évben rengetegen foglalkoztak a témával, nekik köszönhetően ma már sokkal többet tudunk a keletkezésükről, azonban máig vannak nem tisztázott részletek. A probléma nehézsége egyrészt magában a folyamat összetettségében rejlik, másrészt a megfigyelést nehezítik maguk az időjárási körülmények: az intenzív csapadékhullás, le-, és feláramlások, szél és az áramerősség pusztító hatása is.

A villámok megismeréséhez először valamelyest ismernünk kell a zivatarfelhők kialakulását és felépítésüket.  Radarmegfigyelések alapján zivatarfelhő életciklusa 3 részre osztható. Az első szakaszban a felhő egészében felfelé áramlik a levegő, ekkor alakulnak ki a felhő-, és csapadékelemek.  Ezek az úgynevezett tornyos gomolyfelhők, amelyek már több km-es magasságúak. A második szakasz már a kifejlett állapot, amelyben eléri a felhő a teljes magasságát (általában 10 km fölötti), kialakul a felhő üllője. Ilyenkor már a nagyobb esőcseppeket és jégszemeket már nem bírja el a feláramlás és elkezdődik a csapadékhullás. A lefelé mozgó részecskék a levegő egy részét is magukkal rántják, így leáramlást generálnak, amely a felszín közelében szétáramlik, ezt érezzük, amikor egy-egy zivatar környezetében viharossá fokozódik a szél (Fontos megjegyezni, hogy a szélerősödésben fontos szerepet játszik a jégszemek olvadása és a vízcseppek párolgása okozta hőelvonás is). A zivatarokat megelőző/követő kifutószél is ehhez a jelenséghez köthető.

A harmadik szakaszban már csakis lefelé áramlik a levegő és a csapadékhullás intenzitása fokozatosan gyengül. 

Ha ezek a szakaszok egymást követően alakulnak ki egy felhőtömbön belül, akkor ezt egycellás zivatarfelhőneknevezzük. Ezek leginkább instabil légköri helyzetben és frontmentes időben alakulnak ki. Ezzel eljutottunk egy másik csoportosításhoz, amely az egy felhőtömbön belül található zivatarcellák száma és élettartama alapján 3 csoportba  sorolja a zivatarfelhőket.  A már említett egycellás zivatarok élettartama viszonylag  rövid, egy óra körüli.

A többcellás zivatarokról akkor beszélhetünk, ha egy felhőtömbön belül mind a három életciklus megtalálható. Ezek kialakulása leginkább frontokhoz és instabilitási vonalakhoz köthető. Egy-egy cella élettartama körülbelül fél-egy órásak, hasonlóan az egycellás zivatarokhoz.

                                                                          (szétterülő üllő és körülötte tornyos gomoly-                                                                                      felhők a NASA egyik fotóján)

A fenti ábrán egy többcellás zivatarfelhő függőleges metszetének sematikus rajza látható.  A nyilak az áramlási vonalakat jelölik. A felhőben egyidőben vannak jelen fejlődő (n+1 és n), kifejlett (n-1) és leépülő (n-2) fázisban lévő cellák. A fehér körök a jégszemek lehetséges pályáját, a baloldali tengely mellett a zivatarfelhő környezetére jellemző szél sebességét és irányát mutatják. Az újabb cellák általában a zivatarfelhő haladási irányában, attól némileg jobbra alakulnak ki.

A harmadik csoport a már sokak által ismert és ismeretlen szupercellák. A téma megérne egy külön cikket, azonban itt most csak annyit érdemes tudni róluk, hogy az különbözteti meg az előzőektől, hogy itt csak egy feláramlási csatorna – vagyis egyetlen cella - figyelhető meg és ennek az élettartama több óra is lehet, kialakulásához pedig speciális légköri feltételek szükségesek.

Visszatérve a zivatarfelhők életciklusaihoz és Franklin munkásságához, aki azt is megfigyelte, hogy a villámok kialakulását megelőzően többnyire negatív, de néha pozitív töltésűek a felhők. Sokáigkétpólusúnak (dipólus) gondolták, de ma már tudjuk, hogy valójában három pólusról (tripólus) beszélhetünk, amit az ábra is szemléltet. 

Egy kifejlett zivatarfelhő közepén, ami kb. 6 km magasan és a -15 °C-os izoterma magasságában van, található egy néhány száz méter vastag negatív töltésű réteg. A felhőtető pozitív töltésű, illetve a felhőalapnál is pozitív töltésű zóna figyelhető meg. Ebben a töltésszétválasztásban elsősorban a jégkristályok és jégszemek vesznek részt, de nagy mennyiségű túlhűlt víz megléte is fontos. A -15 °C-nál alacsonyabb hőmérsékleten a lefelé eső jégszemek negatív, a felfelé emelkedő jégkristályok pozitív töltésűek lesznek. A fentinél magasabb (azaz melegebb) hőmérsékleti tartományban a töltéscsere ellentétes előjelű, azaz a jégszemek pozitív, a jégkristályok negatív töltésre tesznek szert, ennek következtében alakul ki a zivatarfelhők tripólus rendszere. Ha a töltésszétválasztódás következtében az elektromos térerősség elér egy bizonyos értéket, akkor kezdődik meg a töltéskisülés. Ezeknek a töltéseknek a felhalmozódása során a felhők különböző töltöttségű részei között töltéskülönbség keletkezik, ezt egyenlíti ki a villámlás. Ez leggyakrabban zivatarcellák közötti és zivatarcellán belüli villámok kialakulását jelenti.

A villámokon kívül említést tennék egy másik légköri elektromos jelenségről, akoronakisülésről. Ez a villámnál (ami tulajdoképpen szikrakisülés) kisebb intenzitású pontkisüléseket nevezzük így. Fénylésük meglehetősen gyenge, ezért csak teljes sötétségben látszanak. 

A villámok osztályozása leginkább aszerint történik, hogy mi között jön létre kisülés.  A zivatarcellák közötti - angol nevén cloud to cloud [CC] - villámok többnyire vízszintesek, hosszúságuk akár a 40-50 km-t is elérheti. A villám ágát-ágait gyakran látjuk, de lehetséges, hogy a folyamat a felhők között játszódik le.  

A zivatarfelhőn belüli – angol név szerint intra cloud [IC] - villámok a pozitív és negatív töltésű centrumok között jönnek létre, ezek többnyire függőlegesek és rövidebbek, maximum pár km-esek. A villámokat nem látjuk, csupán villanásokat a felhő belsejéből. 

Ez a két villámtípus a leggyakoribb, az összes detektált villám 65-75%-a ebbe a két típusba sorolható. Itt azonban fontos még említést tennünk egy típusról, amely viszonylag ritka, ez pedig a felhőből a környező légkör tértöltése irányába történő, úgynevezettcloud to air [CA] villám. 

(A fenti ábrán a villám típusok sematikus ábráját láthatjuk)

A leglátványosabb villámok számunkra minden bizonnyal a lecsapó villámok,- angolul cloud to ground [CG]- , amelyek a felhő és a földfelszín között játszódnak le. Áramerősségük a néhány kA-től néhány száz kA-ig terjedhet. A leggyakrabban a zivatarfelhő negatív töltésű tartománya és a hozzá képest pozitív töltésű talaj között jön létre. Ezeket negatív villámoknak nevezzük, átlagos hosszuk 1 miliszekundum, alakjuk lehet egyenes vagy szerteágazó is. Ritkábban láthatunk pozitív villámokat, a felhő pozitív töltésű tartománya és a talaj között jön létre. Ezek a villámok áramerőssége nagyobb is a negatívoknál, jellemzően néhány száz kA. A lecsapó villámok hossza  általában pár km, de csak pár száz méternyit, 1-2 km-nyit látunk belőle, hiszen a negatív töltésközpont 6 km magasan van, illetve a függ felhőalap magasságától és a domborzattól is.

(Egy speciális és ritka esete a zivatarfelhő felső pozitív töltésű részéből a talajba csapó villám, angol név szerint anvil to groun [AG], azaz üllőből a földre. Egy ilyen villám horizontálisan több kilóméterre is lecsaphat a kiindulási pontjától, a zivatarfelhő mellé is, innen ered a derült égből villámcsapás szólásunk is! Az alábbi fotón egy ilyen – pozitív lecsapó - villámot láthatunk.

A lecsapó villámok esetében még két típusról tennék említést, ezek irányukat tekintve fölfelé terjednek, illetve lehetnek pozitív (positive ground- to-cloud) vagy  negatív töltésűek (negative ground-to-cloud). Azonosításuk általában több ezer képkocka/másodperces videófelvételekkel lehetséges. 

Ahogy azt már tudjuk, a lecsapó villám leggyakrabban a zivatarfelhő negatív töltésű tartománya és a hozzá képest pozitív töltésű talaj között jön létre, ez egy 3 fázisú folyamat, ahogyan az ábrán is láthatjuk.  Egy ún.  előkisülésselkezdődik, ekkor a negatív töltésű elektronok szakaszosan haladnak a talaj felé, egy-egy ugrással 10-200 métert megtéve, minden ugrás után 30-100 μs időre megtorpannak. Átlagos haladási sebességük 10-50 cm/μs, ez emberi szemmel nem érzékelhető sebesség. A lefelé közlekedő előkisülésnek több ága van, ahogyan az ellenkisülésnek is, amely a földfelszínről indul fölfelé amikor az előkisülés már majdnem elérte a talajt. Az ellenkisülés hossza általában néhány méter. A lefelé és fölfelé tartó kisülések egy-egy ága véletlenszerűen találkozik, létrehozva ezzel egy ionizált csatornát, amiben a főkisülésjátszódik le. (A találkozási pontot szokás orientációs pontnak is nevezni.)  Ekkor pozitív töltések áramlanak 100m/μs-os sebességgel a talajból a  légkörbe, miközben az áramerősség 10³-10 az 5.-en Amper között változik. (Hasonlításképp, az emberi szervezetre pár 10 milliamper áramerősség is halálos lehet). Egy villámcsatornában akár többször is létrejöhet főkisülés, előkisülés ekkor is van, ami újra ionizálja a villámcsatornát. Akár 30-40 főkisülés is létrejöhet egy villámcsatornában, de jellemzően tíz alatt van ez a szám, a többszöri kisülésekkel együtt is 1-2 másodpercig tart. A szemünk ezt képes érzékelni, többszöri villogásnak látjuk. A mérések szerint a fővillám észlelhető átmérője néhány 10 cm, de ezt a fényerőssége miatt néha több méternek is érzékeljük. 

A villámlást természetesen hangjelenséggel együtt ismerjük. Ezt a hatalmas áramerősség által több ezer fokra felmelegített levegő hirtelen kitágulása során keletkező hanghullámok okozzák. Az átlagos maximális távolság, ahol a mennydörgés még hallható, az 25 km, ezt már inkább csak morajlásnak érzékeljük. Ez csak az egyik szakasza a mennydörgésnek, ezen túl még jó ha tudjuk, hogy van egy erős, illetve egy gyenge lökéshullámos szakasza is, ezek közvetlenül a villám környezetében, attól pár méter, illetve pár 10 méter távolságra érzékelhetők.
Az alábbi audio felvétel egy közeli lecsapó villám hangja, a hangszóró ne legyen maxon, az eleje elég éles:

Végül a teljesség igénye nélkül mutatnék pár videót, amelyeket érdekesnek találtam a cikkhez:

Az elsőn egy dokumentumfilm részlete látható, amelyben extrém lassítású felvételeken látszanak a talajról induló ellenkisülések.

Ott egy vízre csapó villámot láthatunk, de ha jól figyelünk, akkor egy ellenkisülést láthatunk amely a híd korlátjáról indul, de a víztükör valószínűleg közelebb volt az orientációs ponthoz

Egy villám valahogy így néz ki 9000 kép/másodperc felbontásban

Ha a zene nem is az olvasó kedvére való, de a videó magért beszél, több villám típusra is látunk példát

Természetesen a téma szinte kimeríthetetlen, hosszú oldalakat lehetne írni akár a múlt századok kutatásainak eredményeiről, a zivatarok kialakulásáról, akár a villámok keletkezéséről és lefolyásáról. Habár a téma a légkör és felhőfizika nem egyszerű és képletekkel teli tárgykörébe tartozik, igyekeztem az alapoknál maradni és köznyelven fogalmazni, hogy mindenki számára izgalmas és érthető írás szülessen.

A cikk hamarosan folytatódik, amiben majd a magaslégköri elektromos jelenségek, a blue jet-ek, elfek és lidércek világába kalauzoljuk el az olvasót.

Felhasznált források: Geresdi István: Felhőfizika, ELTE meteorológiai és légkörfizikai oktatóanyagok, Meteorológiai Világszervezet, Wikipedia, Időkép képtár (Gedó Károly, Anyacaka, Lizzy, Pbkati észlelőink), Youtube, http://kansashorizons.com/, Mitchell Krog, Encyclopedia Britannica, Nasa.gov, stormhighway.com, Freesounds.org

Szép fényeket kívánok mindenkinek,

Tóth Gábor Gyula (HeavenMan)