Megfejtették a villámok évszázados rejtélyét

Budapest, 2013. május 2. Villám az égbolton Budapesten a XIV. kerületben a Dózsa György útról fotózva 2013. május 2-án. MTI Fotó: Mohai Balázs

A villámdetektorok adatai szerint legtöbbször júniusi délutánokon villámlik Magyarországon. Azt már több mint kétszázötven éve tudjuk, hogy a villámlás elektromos jelenség, de azt nem, hogy pontosan mi váltja ki a kisülést. Egy brit kutatócsoport elemzése szerint a napszél befolyásolja, hogy hányszor villámlik.

„Az elektromos tűz, úgy hiszem, csendben kivezethető a felhőből, még mielőtt elég közel kerülhetne ahhoz, hogy lecsapjon” – írta 1751-ben Benjamin Franklin amerikai természettudós, politikus az 1749-ben egy kihegyezett vaspálcáról, vagyis az általa feltalált villámhárítóról. Franklin és három közeli barátja 1746-47 telén végzett úttörő vizsgálatokat az elektromosság természetéről. Egy zivatarfelhőbe felengedett sárkány és az arra szerelt fémrúd segítségével bizonyította be, hogy a villámlás elektromos jelenség: a sárkány zsinórjára kötözött kulcs szikrázni kezdett.

Arról viszont jelenleg is folynak tudományos viták, hogy mi váltja ki a villámcsapást. A legújabb felvetés szerint a napszélből a légkörbe jutó, nagysebességű részecskéknek döntő szerepük van a folyamatban. A zivatarfelhők azért válnak elektromosan töltötté, mert folyamatosan ütköznek bennük a mikroszkopikus jégszemek, másrészt a légmozgás, a felfele áramló szél miatt elkülönülnek a negatív és a pozitív töltések (a pozitív töltés a felhő felső, a negatív az alsó részén halmozódik fel).

A levegő jó elektromos szigetelő, ám ha a levegő molekuláinak egy része ionizálttá válik, akkor jó elektromos vezetőként összekapcsolják a felhő negatív és pozitív töltésű részeit, vagy a felhőt a földfelszínnel, és megtörténik a villámcsapás.

Villám az Budapesten a XIV. kerületben, a Dózsa György útról fotózva (2013. május 2.) Forrás: MTI/Mohai Balázs

Jelenleg sincs tudományos közmegegyezés abban, hogy miért válnak egyes molekulák elektromos vezetővé a zivatarfelhőben. Az tény, hogy erős elektromos mező hatására a szigetelők vezetőkké válhatnak, de a légkörfizika jelenlegi álláspontja szerint a levegő önmagában egyszerűen nem képes több ezer voltos feszültséget elérni. Más magyarázatra van tehát szükség. A Readingi Egyetem (Nagy-Britannia) kutatói szerint a folyamatban a napszélnek van kitüntetett szerepe.

A napszél a Nap koronájából távozó, többségében protonokból és elektronokból álló részecskeáram, sebessége elérheti a kétmillió kilométer/órát. A legnagyobb energiájú és sebességű részecskék (a SEP-ek) képesek áthatolni a Föld mágneses terén, és elérni a légkör alsó rétegét, a troposzférát. Ebben a rétegben – ha kellően instabilak a meleg és a hideg légrétegek – alakulnak ki a 12, ritkán 18 kilométeres magasságba is felnyúló zivatarfelhők.

A napszélből származó részecskék itt a levegő molekuláival ütköznek, további nagy energiájú részecskéket hozva létre – mondta Christopher Scott, a Readingi Egyetem meteorológusa a Nature híroldalának. Az ütközés már elég nagy energiájú ahhoz, hogy a levegő ionizálttá váljon, és így kipattanhasson a feszültség magában a zivatarfelhőben, vagy a felhő és a felszín között. A jelenségről négy kollégájával közösen írt tanulmányát az Environmental Research Letters szakfolyóirat közölte; a kutató többek között a földi ionoszféra hosszú távú változásaival, a sarki fény fizikájával és a villámcsapások nyomaira utaló régészeti adatokkal foglalkozik.

Van összefüggés

A napszél és a villámlás közötti összefüggések vizsgálatára a kutatócsoport a Közép-Anglia körüli 500 kilométer sugarú körben elemezte, hogy milyen gyakran következik be villámlás. Az adatokat a NASA napszél-megfigyelő űrszondája, az ACE (Advanced Composition Explorer) adataival vetették össze.

Az eredmény a következő. Miután a napszéllel nagy energiájú részecskék érték el a Földet, a rá következő negyven nap alatt napi átlagban 422 villámlás következett be a kutatott térségben, az ezt megelőző negyven nap során viszont csak átlagosan 321-szer villámlott. Az adatokat a brit meteorológiai szolgálat, a Met Office villámdetektor-hálózata szolgáltatta. A hálózat a villámlás keltette rádióhullámokat észleli Nyugat-Európában, és elsősorban a felszínre lecsapó villámokat lehet vele észlelni 5 kilométeres pontossággal.

Villámok cikáznak Hegykő felett (2013. augusztus 10., Győr-Moson-Sopron megye) Forrás: MTI/Kovács Attila

Azt, hogy a nagy energiájú részecskék ütközése lenne a villámlás kiváltó oka, már 1992-ben felvetette Alekszander Gurevics, a moszkvai Lebegyev Fizikai Intézet kutatója. Ő viszont arra következtetett, hogy a kisülést végső soron a Naprendszeren kívülről eredő kozmikus sugárzás okozza.

„Tudomásom szerint a brit kutatás az első, amely kapcsolatot talált a napszél áramlása és a villámlás között” – mondta Joseph Dwyer, a Floridai Technológiai Intézet (Florida Tech) fizikusa a Nature híroldalának. Scott szerint meteorológiai léggömbökkel folytatott további kísérletekkel lehet még inkább alátámasztani az egyelőre csak statisztikai bizonyítékokat. A léggömbök szállította részecskedetektorokkal lehetne tesztelni, hogy valóban több nagy energiájú részecske éri el a légkör alsóbb rétegeit akkor, amikor erősebb a napszél.

30 ezer amper, több tízezer fokos forróság

A tanulmány szerint természetesen zivatarfelhők csak megfelelő időjárási körülmények esetén alakulnak ki, de a vizsgálat azt bizonyítja, hogyha ezek a körülmények a zivatarszezonban (májustól augusztus végéig) előállnak, akkor a villámcsapások gyakoriságát a nagy energiájú részecskék befolyásolják. Mivel a napszél erősségének változása kiszámítható, a meteorológusok így további támpontot kaphatnak arra, hogy mikor kell veszélyes időjárási jelenségekre számítani.

A pontosabb előrejelzés azért lenne hasznos, mert az egyik legveszélyesebb természeti jelenségről van szó. A villám (vagyis maga az elektromos kisülés) a környezet vezetőképességétől függően 50-150 kilométer/másodperc sebességgel halad. Az ionizált levegő hőmérséklete elérheti a 30 ezer Celsius-fokot. A kisülés általában 0,2 másodperc alatt zajlik le, ezalatt 30-40 ezer amperes áramerősség lép fel, de akár pár ezer, de akár 200 ezer amper is lehetséges. Villámcsapások miatt évente több száz ember hal meg világszerte. Magyarországon általában májustól augusztus végéig villámlik, a leggyakrabban pedig júniusi délutánokon. Az Országos Meteorológiai Szolgálat 1998-2011 közötti adatai szerint leggyakrabban a Duna-Tisza közén, a Nyírségben és a Viharsarokban csap le a villám, éves átlagban számolva négyzetkilométerenként ötször-hatszor.