A villámok kialakulása

A legutóbbi bejegyzéssel kapcsolatban érkezett egy kérdés a gömbvillámokról. Magam nem vagyok ennek szakértője, de ha már felvetődött a kérdés érdemes szélesebb kontextusban írni a jelenségről, és ennek keretében megvizsgálni, hogy milyen fizikai folyamatok játszanak szerepet a villámok kialakulásában.

A felhőképződés

Kiindulópontunk a levegő páratartalma. A vízmolekula OH csoportjai rezgéseket végeznek, de ennek frekvencia tartománya olyan, hogy a vibrációs átmenetekhez nem tartozik látható fény, és ezért a különálló vízmolekula önmagában nem látható. Ha azonban a vízmolekulák kristályokat hoznak létre, akkor megfelelő méret esetén már elnyelhetnek fényt a látható tartományában is, és így megfigyelhetjük az égen a sárga bárányfelhőket. Erről már írtam korábban a „Miért kék az ég” című bejegyzésben. Annak a feltétele, hogy ezek a vízkristályok mikor jönnek létre, függ a helyi páratartalomtól, a nyomástól és a hőmérséklettől. Ezek a lebegő vízkristályok laza kapcsolatban állnak egymással, ez a felhő, aminek átlagsűrűsége nem haladhatja meg az alatta levő levegőjét. Ha a körülmények kedvezőek nagyobb jégkristályok képződésének és megnövekszik ezek sűrűsége, akkor elkomorodik az ég, kialakulnak a sötét esőfelhők, sőt viharfelhők. Ha a jégkristályok elérnek egy kritikus méretet, akkor megindulnak a jégkristályok lefelé, amelyek az alatta lévő melegebb légrétegekben megolvadnak és eső formájában érkeznek meg. De nyáron előfordul, hogy a nagy jégkristályoknak nincs elég idejük, hogy megolvadjanak, ekkor jön létre jégeső. Télen, amikor a föld felett is nulla fok körüli, vagy az alatti a hőmérséklet, akkor laza jégkristályok hullnak a földre, ekkor havazik.

A villámképződés

De mikor jár együtt a vihar villámlással és mennydörgéssel? Ha nagy a légköri nyomáskülönbség, akkor a felhők gyorsan száguldanak és a felhők és az alatta levő légtömegek között súrlódás jön létre, ami a vízmolekulák elektronjait leszakíthatja, ekkor jönnek létre az ionok. Az ionok egy része negatív, mert a leszakított elektronok is helyet keresnek maguknak, másik része az elektron elvesztése miatt pozitív lesz. Az elektron fölösleggel rendelkező ion kissé nehezebb, emiatt a felhők alsó része lesz negatív, míg a fölső rész fog pozitív töltéssel rendelkezni. Kialakul tehát egy nagy kondenzátor. Maga a földfelszín is ionizálódik, amelynek töltése pozitív. Ha a feszültség a kondenzátor két „lemeze” között meghalad egy kritikus értéket, akkor elektromos kisülés következik be. Így jön létre a felhőkben, illetve a felhők és a föld között is villám. A töltött vízionok sebessége sokszorosan meghaladja a hang sebességet, ezért a mennydörgés voltaképpen hangrobbanás. Ez többször is megismétlődik, mert a nagy sebességű villám előtt feltorlódik a levegő, ami egy pillanatra lecsökkenti a sebességet és irányváltoztatásra kényszeríti a villámot. Ezért halad a villám cikk-cakkokban. A gyorsuló elektromos töltések fénysugarakat bocsátanak ki, ez hozza létre a villám éles fényét. A gyorsulás olyan nagy is lehet, ami már a láthatónál nagyságrendekkel nagyobb energiájú gamma sugarakhoz is vezethet.

De hogyan jön létre a gömbvillám? A gömbvillám nagyon ritka jelenség, mert több feltétel egyidejű teljesülése kell a létrejöttéhez. A felhő apró jégkristályai egymással laza kapcsolatban vannak, és amikor töltésre tesznek szert az ionok között taszítás jön létre. A taszító erő akkor a legkisebb, ha a töltések egy gömbfelületen helyezkednek el, ezáltal jöhetnek létre a felhőben az elektromos töltéssel rendelkező gömbök. Ha azonban túl sok a töltött ion, akkor ez a gömb szétszakadhat, és emiatt nagyok kritikus körülmények kellenek a fennmaradáshoz. A másik fontos feltétel a gömbök sűrűsége, ha ez meghaladja a körülötte levő levegő sűrűségét, akkor ritka esetben ezek a gömbök lesüllyednek és leereszkedhetnek a föld felé. Ezeket a töltött gömböket nevezzük gömbvillámnak. Úgy tudom, hogy japán tudósoknak már sikerült gömbvillámokat laboratóriumi körülmények között is előállítani.

A blog egyéb írásait összefoglalja a megfelelő linkekkel a „Paradigmaváltás a fizikában” című írás.