Tűzijáték, másképp: a vulkánok is villámlanak

Alig hittek a szemüknek és a műszereiknek az alaszkai Mount Redoubt 2009-es kitörését megfigyelő kutatók: szabályos villámszikrák pattogtak ki a vulkán kürtőjéből. Most az a kérdés, hogy az eddig soha nem látott természeti tűzijáték mennyiben hasonlít a nyári zivatarok megszokott villámlásaira.

Mikor az alaszkai Mount Spurr vulkán 1992-ben kitört, olyan meglepetés érte a folyamatot megfigyelő szeizmológust, Stephen McNuttot, amire végképp nem számított. Hegyes impulzuscsúcsok jelentek meg a vulkáni tevékenységet rögzítő szeizmográf grafikonjain. Az Alaszkai Egyetem geofizikai intézetének kutatója nem tudott másra következtetni, mint hogy a vulkán villámlik.

A jelenség tanulmányozására dr. McNutt Ronald Thomas fizikus-villamosmérnökkel és Sonja Behkével, az új-mexikói bányászati kutatóintézet légkörfizikát végzett diákjával hozott létre közös kutatócsoportot. A különleges villámok megfigyelésére jó alkalom volt 2009 január-márciusa, mikor egy másik alaszkai vulkán, a Mount Redoubt mozgolódni kezdett, majd végül kitört Délnyugat-Alaszkában. A csapat négy berendezéssel figyelte a villámlásokat, a műszer vevőegysége egy-egy régi tévéantenna volt.

A kutatás sikerrel járt: a Mount Redoubt húsz-harminc percen keresztül villámlott - számolt be az eredményekről McNutt az Inside Science News Service tudományos hírügynökségnek. "Több villámlást észleltünk, mint amennyit általában egy erősebb zivatar alatt lehet látni" - magyarázta a szeizmológus.

Így festett a Mount Redoubt villámlós kitörése. Forrás: physorg.com, fotó: Bretwood Higman

"Amint a kitörés elkezdődött, egy-két ezredmásodpercig tartó villámszikrák pattogtak ki a Redoubt kürtőjéből. Effajta villámokat soha korábban nem láttunk" - mondta a kutató. A kutatócsoport most azon dolgozik, mennyire hasonlítanak a vulkáni villámlások a szokványos légköri elektromos kisülésekre, elmondásuk szerint meglehetősen sok a közös elem.

A villámok vizsgálata egyébként a légkörfizika és általában a természettudományok egyik legrégebbi kutatási területe. Arisztotelész és Empedoklész is próbáltak fizikai magyarázatot találni erre a félelmetes és látványos jelenségre, amelyek persze ma már nem állják meg a helyüket.

Arisztotelész szerint a zivatarfelhőkből a száraz levegő nagy sebességgel, hirtelen kiáramlik, és nekiütközik a szomszédos felhőnek. Az ütközést hanghatás kíséri, amit mennydörgésként észlelünk. Magyarázata szerint a kiáramló levegő gyakran meggyullad, és tűzcsík fut végig az égen. Empedoklész ezzel szemben úgy gondolta, hogy a felhőkben a napsugarak hatására tűz tárolódik, és a villám ennek a tűznek a megnyilvánulása, míg a tűz kialvását kísérő hang a mennydörgés.

A szokványos villámlást jégszemek súrlódása hozza létre

A villámok tulajdonképpen a különböző töltéssel rendelkező térrészek közötti feszültségkiegyenlítődések, azaz kisülések. A töltések egy-egy rétegben való felhalmozódása elsősorban a csapadékkeletkezéssel van összefüggésben. Napjaink legelfogadottabb elmélete szerint a zivatarfelhőben a heves fel- és leáramlásokkal utazó apró jégszemek súrlódása, ütközése hozza létre a töltésszétválasztódást. Ennek hatására a felhő alsó része negatív, míg a teteje pozitív töltésű lesz.

Villám a müncheni tévétorony fölött (az AFP felvétele 2009. május 26.-án készült)

A felhő és a földfelszín között lévő levegő elektromos szigetelőként viselkedik. Ahhoz, hogy a villám létrejöjjön, az elektromos térnek olyan erősnek kell lennie, hogy a szigetelő réteget "átüsse". Ha a feszültség elérte az átütő feszültség értékét, akkor a felhő aljáról 10-50 cm-es ugrásokkal elővillámok indulnak el a talaj felé, egyszersmind a pozitív töltésű földfelszínről is elindulnak ellentétes töltésű, úgynevezett ellenvillámok. Amikor a két ionizált csatorna találkozik, akkor jön létre a villámcsatorna, melyben a fővillám elindul a földről a felhő felé. A másodperc milliomodrésze alatt több villám is áthalad ezen a csatornán - így nem igazán válik be az a népi bölcsesség, hogy "kétszer ugyanoda nem csap a ménkű".

Általában egy villám áramerőssége 20-30 ezer amper között van, de kivételes esetekben akár 100 ezer amper is lehet. Összehasonlításul: az emberi szervezetre nézve körülbelül 0,1 amper már halálos mennyiség. A villámok a pillanat törtrésze alatt mintegy 30 ezer fokosra hevítik maguk körül a levegőt, s az hirtelen kitágul. Ez okozza a villámot kísérő égzengést.

Rendszerint két szomszéd felhő között csapdosnak

A villámokat a keletkezési körülményeik szerint felhő-felhő és felhő-föld villámok közé sorolhatjuk. Felhő-felhő villámokat akkor figyelhetünk meg, ha a kisülés vagy két szomszédos felhő között, vagy ugyanazon felhőben két ellentétes töltésű rész között jön létre. Az esetek 80%-ában ilyeneket láthatunk.

A felhő-föld, vagy más néven lecsapó villámok a felhő és a földfelszín között alakulnak ki. A lecsapó villámok között léteznek negatív vagy pozitív villámok is, attól függően, hogy a zivatarfelhő milyen töltésű részéből indulnak ki. A pozitív lecsapó villámok nagyon ritkák, viszont ezek rendelkeznek a legnagyobb áramerősséggel.

Sprite, blue-jet, elf - villámok az űr felé?

A légköri elektromosság ritka megnyilvánulási formái közé tartoznak a sprite-ok, blue jetek és elfek, melyek csak a legerősebb villámokat kísérik. Ezek a jelenségek a zivatarfelhő és az ionoszféra közötti töltésáramlásról árulkodnak, tulajdonképpen a felhőből fölfelé induló villámok, amelyek az alsó ionoszféra lokális, rövid időtartamú, néhány ezredmásodperctől néhány másodpercig fennmaradó zavarait okozhatják. Ezekről a jelenségekről csak néhány évtizede szereztünk tudomást, az első fényképes dokumentáció 1989-ből származik.

A töltésszétválasztódás és a villámok keletkezésének elmélete sem teljesen tisztázott a tudomány számára, valamint a magaslégköri elektromos folyamatok leírása is várat még magára.