Villámok

Hogyan keletkeznek

A villámok a felhőkben összegyűlő elektrostatikus töltések miatt keletkeznek. A felhők egyik része pozitív töltést szerez, míg a másik negatívot. A folyamatot még nem egészen értik, de a felhő alja általában negatív töltésű lesz, míg a teteje pozitív. Ha már annyi töltést szerzett, hogy a potenciálkülönbség a föld és a felhő, vagy felhő és felhő között túl nagy lesz, elektromos kisülés formájában átáramlanak az elektronok a pozitív töltésű hely felé.

A gömbvillám

A középkor óta említik ezt a jelenséget a viharok ritka kísérőjének. A tudósok 150 éve próbálják megfejteni keletkezését, de mind ez idáig csak feltételezések vannak.

J. Abrahamson és J. Diniss feltételezése szerint ez a jelenség nem más, mint egy vattacukorszerű, izzó szilíciumgömb, amely akkor keletkezik, amikor egy villám belecsap a földbe. A hatalmas áramerősség és a keletkező hő hatására a föld szilícium-dioxid tartalma alkotóelemeire bomlik, és a szilíciumionok ritkás gömb alakot vesznek föl. A beszámolók alapján a gömbvillám fehér vagy sárgás fényű és nem fényesebb egy 100 wattos izzónál. Mérete egy golflabda és egy strandlabda között változik.
Szemtanúk szerint 15 másodpercig látható. A jelenség fényereje, élettartama, és megszűnése a hőtartalmától függ.

Miért cikáznak a villámok?

A légköri elektromos kisülések lenyűgöző színjátékot kínálnak: a villámok általában nem egyenes vonal mentén haladnak a levegőben, hanem impozáns, szerteágazó képződményekké hasadnak.

A villámok esetében is két különböző közegről van szó: a semleges gázról és az ionizált gázból való alagútról. Az amszterdami CWI kutatóintézet munkatársainak feltételezései szerint az alagút egy meghatározott időpillanatban ideális vezető. Ez azt jelenti, hogy ott az áram csaknem ellenállás nélkül folyik.

Ugyanebben a pillanatban az ionizált és a semleges gáz határfelülete instabil, és a villám több ágra szakad. Ugyanez a fizikai probléma merül fel az eltérő viszkozitású folyadékok keveredésekor is, állítják a kutatók.

Ott szintén ilyen ujjszerű elágazódások figyelhetők meg, a kis belső súrlódás "csatornáiban". (Ez utóbbi némi kézügyességgel ellenőrizhető: egyenes henger alakú színtelen pohárba öntsünk vizet, ha víz már teljesen nyugalomban van, finoman juttassunk bele kb. teáskanálnyi színes alkoholt vagy tintát.

Ha elég ügyesek voltunk, oldalról megfigyelhetők a két folyadék spontán keveredésekor létrejövő "ujjak". - Ha mégsem, akkor cikázó villámokat szórhat a szemünk...)

A felhasadás létrejötte nem a jelenség méretétől függ, hanem az elektromos mező térerősségétől. A szikra akkor is elágazhat, ha a katód és az anód mindössze 1 milliméterre van egymástól. A villámok egyes ágai egymástól több kilométerre csaphatnak be.

A villámok segíthetnek elõre jelezni a tornádót

1999. május 3-ika délutánját és estéjét soha nem felejtik el Oklahoma és Kansas államok lakói. Ötven tornádó pusztította végig akkor a tornádók által egyébként is gyakran sújtott két állam területét, közülük egy az ötfokozatos tornádóskála szerint ötös erõsségû épp Oklahoma City városán át vágott halálos ösvényt.

Hogy az elkerülhetetlen anyagi veszteség mellett mennyi emberéletet követel egy-egy tornádó, az nagymértékben függ attól, mennyire elõre sikerül riasztani a lakosságot, mennyi idejük van az embereknek lehúzódni az arrafelé nélkülözhetetlen tornádó-óvóhelyre. Az utóbbi idõben ez átlagosan nyolc percrõl átlagosan tizenkét percre nõtt, ami már óriási eredmény.

A NASA kutatói az 1999. május 3-i tornádók elemzésébõl új fegyvert találtak a tornádók elõrejelzésére. Kiderült, hogy ezek a tornádók nagyon erõs villámlással kapcsolódtak össze. Nem a földrõl is látható felhõ-föld villámokról van szó, hanem a lentrõl nappal észrevehetetlen felhõ-felhõ villámokról. Észlelésüket egy új eszköz, a NASA TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission) mûholdján elhelyezett villámleképezõ érzékelõ tette lehetõvé.

További vizsgálatok során kell még eldönteni, hogy minden tornádóra igaz-e, hogy erõs villámlással kapcsolódik össze. Az azonban már enélkül is biztos, hogy  —  egyéb elõrejelzõ módszerek (elsõsorban a meteorológiai radarok jelzései) mellett  —  megfelelõen elhelyezett ilyen mûholdas villámészlelõk legalább az esetek egy részében javíthatják az elõrejelzést.

Amin így sem tudnak javítani, az a vakriasztások nagy száma. Az örvénylõ mozgást végzõ szupercelláknak ugyanis csak 30 százalékából lesz, földig lenyúló örvény, azaz tornádó, de nem lehet elõre tudni, hogy melyik 30 százalékából. Ez azért baj, mert a nagyszámú vakriasztás felelõtlenséget, a riasztások iránti közömbösséget szül, ennek pedig tragikusak lehetnek a következményei.

A villámok titkai

„...iszonyt lángoltam minden kabinba; Majd szétszóródva égtem több helyütt Árboc hegyén, korláton, vontatón Külön-külön: majd összeálltam újra. Jupiter villáma, szörnyű dörgés Előfutára, fürgébb nem lehet Se szemfényvesztőbb; tűz és csattanó kén Csatája szinte ostromolta nagy Neptunt, rezgette bátor habjait, Rengette szigonyát.” - William Shakespeare: A vihar, fordította Babits Mihály

Shakespeare szavai éppoly lenyűgözőek, mint maga a jelenség, amelyet leírnak. Egyszerre ábrázolják ezek a sorok a lélegzetelállító szépséget és a tiszteletet parancsoló erőt, amelyet a villám képvisel.

Általában a felhőkből a földre lecsapó villámra gondolunk, de Shakespeare egy másik érdekes jelenségét is említ, Szent Elmo tüzét. Ezeket a koronakisüléseket a Földközi-tenger hajósai nevezték el védőszentjükről, Erasmusról. Általában viharok végén figyelték meg a hajóik árbocain táncoló lángocskákat. Manapság leggyakrabban pilóták találkoznak vele, amint a levegőben lévő részecskék (porszemek, hókristályok) súrlódása miatt az elektromos térerő eléri azt az értéket, amikor a levegőben csekély mennyiségben jelen lévő töltéshordozók az elektromos erőtérben felgyorsulva ütköznek a levegőt alkotó gázok atomjaival, és ionizálják őket. Ezt az ártalmatlan tüneményt méltán nevezhetjük a villámok kistestvérének.

Számunkra már magától értetődő, hogy a villám elektromos kisülés. De az elektromosság széles körű megismerése előtt a villám is a természet rejtélyei közé tartozott. És tartozik még most is bizonyos fokig. Benjamin Franklin – egy feszültségekkel teli korszak sziporkázó elméje – bizonyította be 1752-ben, hogy a villám a légköri elektromosság szülötte. Híres hírhedt kísérletében fémrúddal ellátott selyemsárkányt eregetett vihar idején, és a sárkány zsinórján függő kulcs szikrái bizonyították az elektromos töltés jelenlétét. Azért neveztem hírhedtnek zivatarok idején végzett kísérletét, mert – mint azt G. W. Richmann svéd fizikus 1753-as tragédiája is mutatja – vakmerően óvatlan, és bizonyosan életveszélyes dolog a természet egyik legnagyobb erejét testközelbe csalogatni.

De mekkora is ez az erő valójában?

Akár 200 millió Volt is lehet az egyenáramú feszültség, az áramerősség több százezer Amper, és a villámcsatornában a hőmérséklet elérheti a 30 ezer Celsius-fokot is. Ez a Nap felszíni hőmérsékletének az ötszöröse! Hogyan halmozódik fel ilyen hihetetlen mennyiségű energia, és hogyan választ célpontot magának a villám? Ezekre a kérdésekre máig sincs minden tekintetben kielégítő magyarázat, de vannak már kísérletileg és megfigyelésekkel is alátámasztott elméletek. Mivel elektromos kisülésről van szó, létre kell jönniük maguknak a töltéssel rendelkező részecskéknek, és térben el is kell különülniük, hogy létrejöjjön a feszültségkülönbség. A légkört alkotó elemek a keveredésük miatti egymást kiegyenlítő hatás eredményeként elektromosan semlegesek. Mégis több lehetőség is kínálkozik a természetben a légköri elemek feltöltődésére. Ritkán, de megfigyelhető villám homokviharban, hófúvásban és vulkáni hamufelhőkben is. Ilyenkor a súrlódó részecskék elektrosztatikus feltöltődése a magyarázata a töltésfelhalmozódásnak. A leggyakoribb égi szikrák azonban a zivatarfelhőkben, a tornyos gomolyfelhőkben keletkeznek. A felhők apróbb-nagyobb vízcseppekből állnak.

Különleges villámok

A gömbvillámokról a középkorból származik az első feljegyzés. Beszámoltak olyan esetről is, amikor keresztüllebegett a falon, anélkül, hogy bármilyen nyomot hagyott volna rajta, viszont más esetekben égésnyomokat okoz. Rendkívül ritka és misztikus jelenség, amely mind a mai napig csúffá tett minden magyarázatára irányuló kísérletet. Ez tehát a természet egyik megoldásra váró rejtélye, amely feltehetően a jövő egyik megszállott tudósát ajándékozza majd meg titkával. Tündérek és manók nem csak a mesékben vannak. Nap mint nap ott járják táncukat a fejünk felett, de csak a beavatottak leshetik meg őket, és ők is csak szerencsével. „Vannak olyan villámok is, amelyek rakétaszerűen vonulnak valamely felhő felületéről a világűr felé. Ezeket a villámokat különösen a cumulus felhők csúcsán észlelik.” Bár ezt 1929-ben írta Vági István, és a magasan repülő pilóták és űrhajósok is beszámoltak róluk, csak 1986 óta vagyunk biztosak a létezésükben. Ekkor sikerült először filmre venni őket. Ezek a viharfelhőkből felfelé, a villámlásokkal szinkronban történő kisülések. Amikor csoportosan keletkeznek, a manók táncát idézik. Ezért, valamint nehéz észlelhetőségük és tünékeny mivoltuk alapján nevezte őket sprite-oknak, azaz manóknak Shakespeare Szentivánéji álom című műve által ihletve dr. Dave Sentman (University of Alaska, Fairbanks). A jetek 100 km/másodperc sebességűek, és kék fényben sugároznak. A sprite-ok magasabbra törnek, vöröses fényűek, és kék „lábakon táncolnak”.

Hogyan védekezzünk a villámok ellen

Mire való a villámhárító?

A kérdés talán nem is annyira ostoba, mint amilyennek első olvasásra tűnik. A villámhárító ugyanis egy dologra biztosan nem alkalmas: a villámok „hárítására”!
Ez a köznyelvben és a szakmai terminológiában egyaránt elterjedt megnevezés kissé félrevezető. 
Bár az épületekre szerelt villámhárító feladata valóban az, hogy megóvja az épületet a villámcsapás mechanikai és termikus hatásaitól, mindez azonban nem úgy történik, hogy a villámhárító „elijeszti”, hanem – éppen ellenkezőleg – „magához vonzza” a villámokat.
A villám – leegyszerűsítve – nagy energiájú villamos ívnek tekinthető, amely rövid ideig (legfeljebb a másodperc ezredrészéig) létezik. 
Eközben az ívben folyó nagy áramok hatására erős elektromágneses erőtér keletkezik, és az ív néhány centiméteres környezete több ezer fokra hevül. Így például ha a villám egy kéménybe csap, a kémény valószínűleg szétrobban, a tető pedig – anyagától függően – akár meg is gyulladhat. A villámhárító kialakításánál fogva alkalmas arra, hogy levezesse a villám energiáját tűz vagy mechanikai sérülés veszélye nélkül. A villámhárító fontos veszélymegelőző szerepe miatt szabvány határozza meg, hogy milyen épületre milyen villámhárítót kell felszerelni. A villámhárító tehát arra szolgál, hogy levezesse a villám energiáit, anélkül hogy mechanikai károsodás vagy tűz keletkezne. Sokan ebből arra a következtetésre jutnak, hogy villámhárító alkalmazásával a villámok elleni védekezés feladata megoldottnak tekinthető. Sajnos, ez csak részben igaz.
Amikor villámcsapás éri a villámhárítót, az nagy áramot vezet le a földbe. Ettől a szakszerűen tervezett és kivitelezett villámhárító, illetve a védett épület ugyan nem károsodik, azonban a levezetett villám áramának egy része behatol az elektromos hálózatba, és ez az érzékeny berendezéseket (számítógép, szórakoztató elektronikai eszközök stb.) tönkreteheti, rosszabb – és szerencsére ritkább – esetben elektromos zárlatot, esetleg tüzet okozhat. Ilyenkor nem közvetlenül a villám teremt veszélyhelyzetet, hanem annak másodlagos hatása okoz kárt.

villámcsapás másodlagos hatása

A másodlagos hatások elleni védekezés problémája már a múlt század elején, a távíróhálózatok kiépítését követően felvetődött: zivataros időben a távírókészülékek kezelése nem volt éppenséggel kockázatmentesnek nevezhető. Ha a távírópóznákra kifeszített vezetéket villámcsapás érte, a vezetéken terjedő túlfeszültség a távírókészüléket, és annak kezelőjét is veszélyeztette. Ezt felismerve megkezdődött azon eszközök kifejlesztése, melyek megvédik a kezelőt az esetlegesen fellépő áramütéstől. Így születtek meg az első túlfeszültség-védelmi eszközök.
Az eddig leírtakból három lényeges elemet érdemes kiemelni:
• Abban az esetben, ha egy épület villámhárítóval rendelkezik, akkor közvetlen villámcsapás esetén a villám áramának jelentős része az épület elektromos hálózatába juthat, és túlfeszültséget hozhat létre.
• Abban az esetben, ha az épület úgynevezett szabadvezetékes hálózatokhoz – oszlopokon vezetett villanyvezetékhez, telefon- vagy kábeltévé-hálózathoz – csatlakozik, ezeken keresztül a villám áramának egy része ugyancsak az épület elektromos hálózatába juthat, és túlfeszültséget hozhat létre.
• A villámcsapások (vagy más jelenségek) hatására létrejövő túlfeszültség ellen megfelelő intézkedésekkel és eszközökkel lehet védekezni, megelőzve a kár, illetve a veszélyhelyzet kialakulását.

Hogyan védekezhetünk túlfeszültségek ellen?

Az egyik védekezési mód régóta közismert: zivataros időben ajánlatos az antennavezetéket kihúzni a TV-készülékből. Azaz, ha megszüntetjük a kapcsolatot a túlfeszültséget „behozó” hálózat (antennavezeték) és az érzékeny elektromos berendezés (TV) között, akkor megszüntettük a veszélyhelyzetet. Ez a módszer sajnos nem mindig alkalmazható: a telefonközpontot, a számítógépet, az épületgépészeti berendezéseket – amelyek tartalmazhatnak túlfeszültségre érzékeny elektromos egységeket – nem mindig lehet egyszerűen „kihúzni a konnektorból”. Amikor a hálózat és a berendezés kapcsolatának megszakítása nem megoldható, vagy nem célszerű, akkor túlfeszültség-védelmi eszközök alkalmazása ajánlott (sőt, vannak olyan létesítmények, ahol ezen eszközök alkalmazása kötelező).

Túlfeszültség-védelmi eszközök

A túlfeszültség-védelmi eszközök működési alapelve rendkívül egyszerű: a túlfeszültség idejére – a másodperc néhány milliomod részére – rövidre zárják az elektromos vezetékeket, majd visszaállnak alaphelyzetbe. Mindez úgy történik, hogy az üzemelő fogyasztó – például számítógép – „észre sem veszi”. Az alapelv megvalósítása a gyakorlatban természetesen bonyolult feladat, hiszen az elektromos hálózaton rövidzárlatot okozni – méghozzá úgy, hogy a hálózat ne kapcsoljon ki, ne vágja le a kismegszakítót – kényes feladat, amely gondosan megtervezett védelmi eszközöket igényel. Ráadásul a (működő) túlfeszültség-védelem kialakítása egyetlen készülékkel szinte soha nem oldható meg. Ennek okai közül a két legfontosabbat emeljünk ki:
• A villámcsapás másodlagos hatásaként létrejövő energia még mindig nagyon nagy, ezért levezetését több lépcsőben (fokozatban) kell megoldani. Az egyes fokozatokban különböző készülékek összehangolt működése biztosítja az energia szabályozott elnyelését.
• A villámcsapás másodlagos hatásaként létrejövő túlfeszültség nemcsak az elektromos hálózaton, hanem a kábeltévé- és a telefonhálózaton is terjed. (Végeredményben ezek is elektromos hálózatok.) Ezen hálózatok elektromos jellemzői (például feszültségük) és kialakításuk (a vezeték keresztmetszete, az alkalmazott csatlakozók fajtái stb.) olyan mértékben térnek el egymástól, hogy egyetlen készülékkel nem oldható meg valamennyi hálózatfajta védelme.

Hogyan fogjunk hozzá a védelem kialakításához?

Az előbb említettek valószínűleg sokakat elkedvetlenítenek: a (működő) túlfeszültség-védelem kialakítása még egy kis lakásban sem annyi, hogy a valamelyik hipermarketben megvásárolt, e célra szolgáló adaptert a konnektorba bedugjuk.
A helyzet azért nem annyira tragikus. A túlfeszültség-védelmi eszközöket gyártó cégek (például az OBO Bettermann) szívesen nyújtanak segítséget annak mérlegeléséhez, hogy szükséges-e túlfeszültség-védelmet telepíteni, és ha igen, akkor milyet. Érdemes élni a lehetőséggel, mert fölösleges kiadásoktól és keserű csalódásoktól menthetnek meg bennünket.

villámok hangja

Nem csak a Földön, hanem más bolygókon is megfigyeltek villámokat. Ez a megfigyelés nem mindig a látható fényben történik, hanem könnyebb módszer egy rádiót odavinni és várni a recsegéseket. Ilyen, villámok okozta recsegéseket vett rádiójával, a Voyager 1 és később a Cassini űrszonda a Szaturnusz közelében. Egy villámnak a hangja kb. egy-harmincad másodpercig tart, de szinte bármilyen frekvencián hallható. A Szaturnusz, a Jupiter, sőt, a Vénusz bolygón észlelt villámok a tudósokat jelentős kutatnivalóval látják el.

http://radio.csillagaszat.hu/index.php?Itemid=1&mediaID=150&option=com_radio_archivum&task=show