Ősidők óta foglalkoztatja az emberiséget a villámlás eredete. A görögök még az isten haragjának tulajdonították, amivel Zeusz sújtotta az embereket bűneiért. A mai tudomány már máshol keresi a választ, de most sem lehetünk igazán biztosak a magyarázatok helyességében. Ennek oka részben, hogy kockázatos túl közelről tanulmányozni a jelenséget, másrészt ennek megértése a fizika és kémia távoli területeinek ismeretét követeli meg. A teljesség igénye nélkül ismertetjük a villámlás alapjait annak tudatában, hogy egyes megállapítások később még korrekcióra fognak szorulni.

Mi a víz szerepe a villámok előidézésében?

Ha egyetlen elemet akarunk kiemelni, amelyik felelős a villámok kialakulásáért, akkor ne a levegőre vagy a szélre, sőt még az elektromosságra se gondoljunk, hanem a vízre, erre az ártatlan elemre, amelynek kulcsszerepe van a villámok létrehozásában. A víz az a csodálatos elem, amely mindenütt jelen van, nemcsak a folyókban és tengerekben, nemcsak az élő szervezetekben, hanem a levegőben is; még a villámok titkát is a víz különleges tulajdonságaiban kell keresnünk.

A felhőképződés

Kiindulópontunk a levegő páratartalma. A vízmolekula OH csoportjai rezgéseket végeznek, de ennek frekvenciatartománya olyan, hogy a vibrációs átmenetekhez nem tartozik látható fény, ezért a különálló vízmolekula önmagában nem látható. Ha azonban a vízmolekulák kristályokat vagy összefüggő cseppeket 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 látunk nappal kék eget, és honnan származik a felhők színe?” címmel. Hogy ezek a vízkristályok mikor jönnek létre, függ a helyi páratartalomtól, a nyomástól és a hőmérséklettől. A felhőt alkotó lebegő vízkristályok laza kapcsolatban állnak egymással, és átlagsűrűségük nem haladhatja meg az alatta levő levegőjét. Ha a körülmények kedveznek a nagyobb jégkristályok képződésének, és ezek sűrűsége megnövekszik, akkor elkomorodik az ég, kialakulnak a sötét esőfelhők, sőt viharfelhők. Ha a jégkristályok elérnek egy kritikus méretet, akkor a jégkristályok megindulnak lefelé, az alacsonyabb, melegebb légrétegekben megolvadnak, és eső formájában érkeznek meg. Nyáron előfordul, hogy a nagy jégkristályoknak nincs elég idejük arra, hogy megolvadjanak - ekkor jön létre jégeső. Télen, amikor a föld felett is nulla fok körüli vagy az alatti a hőmérséklet, laza jégkristályok hullnak a földre, ezt nevezzük havazásnak.

A villámképződés

De mikor jár együtt a vihar villámlással és menydörgéssel? Ha nagy a légköri nyomáskülönbség, a felhők gyorsan száguldanak, és súrlódás jön létre köztük és az alattuk levő légtömegek között, ami leszakíthatja a vízmolekulák elektronjait. 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. De itt jön az első kérdés: miért válnak szét a negatív és a pozitív ionok a felhőkben? A választ jelenlegi tudásunk szerint a víz egyik különös tulajdonsága adja meg. Jól ismert, hogy az anyagok túlnyomó többségétől eltérően a megfagyott víz, azaz a jég, könnyebb lesz, kisebb a sűrűsége a fagyáspont körüli vízénél. Ennek köszönhető, hogy a tavak és tengerek felülről fagynak be, és a felső jégréteg védelmet nyújt az alatta lévő vízben az élet számára.

De mi most fent vagyunk a levegőben, éppen egy épülő felhőben. A kondenzálódó víz egy része az emelkedő légáramlatban megfagy, ezek lesznek a jégkristályok, de a víz arra is képes, hogy túlhűljön a fagyáspont alá, ezek alkotják a nagyobb sűrűségű graupelleket. A könnyű jégkristályok fölfelé, a graupellek lefelé mozognak, és ütköznek egymással: ennek során létrejönnek a negatív és pozitív töltésű ionok. Nem egészen tisztázott okokból a felfelé haladó jégkristályok ragadják magukkal a pozitív, a lefelé mozgó, túlhűtött cseppek a negatív ionokat. Emiatt a felhők alsó része lesz negatív, míg a fölső rész rendelkezik pozitív töltéssel. Kialakul tehát egy nagy kondenzátor. Maga a földfelszín is ionizálódik, amelynek töltése pozitív.

Ha a kondenzátor két „lemeze” közti feszültség meghalad egy kritikus értéket, akkor elektromos kisülés következik be. Így jön létre nagyobb részt a felhőkben és a felhők között, kisebb részben a felhő és a föld között a villám. Az ívkisülés könnyebben következik be, ha a felhők alacsonyabban (1-2 km) vannak. A villám sebessége sokszorosan meghaladja a hangsebességet, ezért a menydörgés voltaképpen hangrobbanás. Ez többször is megismétlődik, mert a nagy sebességű villám előtt feltorlódik a levegő, ami egy pillanatra lecsökkenti a sebességét, és irányváltoztatásra kényszeríti a villámot. Ezért halad a villám cikcakkokban. 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 gammasugarakat kelthet. Ezek energiája olyan nagy is lehet, hogy elektron-pozitron párokat, azaz antianyagot is létrehoz.

Hogyan jön létre a titokzatos gömbvillám?

Van egy misztikus, máig sem teljesen ismert jelenség: a gömbvillám. De hogyan jön létre? A gömbvillám leginkább egy elektromosan töltött buborékhoz hasonlítható, nagyon ritka jelenség, mert több feltétel egyidejű teljesülése kell a létrejöttéhez. A felhő apró jégkristályai vagy a túlhűtött vízcseppek egymással laza kapcsolatban állnak, 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 buborékok. Ha azonban túl sok a töltött ion, akkor ez a buborék szétpattanhat, és, hogy ez ne következzen be, nagyon kritikus körülmények kellenek. A másik fontos feltétel a gömbök sűrűsége: ha ez meghaladja a körülötte levő levegő sűrűségét, akkor a gömbök lesüllyednek, és leereszkedhetnek a föld felszínére. Ezeket a töltött gömböket nevezzük gömbvillámnak. Sokan kísérleteznek gömbvillámok laboratóriumi előállításával, de egyelőre csak apró elektromosan töltött gömböket sikerült előállítani levegőben.

Mik azok a „blue jetek”?

Aktualitása miatt érdemes kitérni egy másik ritkán megfigyelhető jelenségre, amikor a felhőkből felfelé indulnak el elektromos kisülések. Ezek a tölcsérszerű képződmények lehetnek vörös és kék színűek is, szemben a villámok fehér színével. Néhány hete Kunhegyesen fotóztak le a viharfelhők fölött egy kékszínű blue jetet. A magyarázat szerint a felhők pozitív töltésű felső része felett az ionoszférában kialakul egy negatív szűrő réteg, amely miatt olyan nagy lesz a feszültségkülönbség, hogy egy ívkisülés plazma állapotú nyalábot hoz létre a ritka levegőben.

A szerző fizikus, a BME és az ELTE címzetes egyetemi tanára. A Qubiten a Kalandozások a fizikában címen futó sorozatának korábbi írásai itt olvashatók.