Légköri elektromosság Ács Ferenc ELTE Földrajz- és Földtudományi Intézet Meteorológiai Tanszék
Tematika - röviden • A Föld légkörének elektromos állapota (elektrodinamikai és elektrosztatikai tartomány) • A légköri elektromos áramkör elemei • A levegő elektromos tulajdonságai (pl. elektromos térerősség, ionok mobilitása, vezetőképesség, áramsűrűség stb.) a „szép idő zónában” • A troposzféra és a sztratoszféra elektromos állapotát meghatározó alapvető folyamatok (töltéssemlegesítő, töltéscsere és töltésszállító folyamatok) • Elektromos jelenségek és folyamatok a felhőkben (különböző felhőfajták elektromos tulajdonságai) • Légköri elektromos kisülések (korona kisülés, villámlás, Schumann rezonancia), mennydörgés • Villámlás elektromágneses tere (a rezgő dipólus modellje) • A légköri elektromos jelenségek klimatológiai vonatkozásai (légköri elektromos áramkör és a léghőmérséklet)
Légköri elektromosság Célok: • az ionoszféra alatti légköri elektromosság fenomenológiájának megértése és megismerése, • a „szép idő” zóna elektromos jelenségeinek és folyamatainak megismerése, • a felhőkkel és a zivatarokkal kapcsolatos elektromos jelenségek és folyamatok megismerése.
Légköri elektromosság • A Föld légkörének elektromos állapotát és folyamatait a felhőkben és a Föld belsejében uralkodó folyamatok, a különböző kisülések, valamint a kozmikus tényezők együttesen határozzák meg. • A Föld bolygóval kapcsolatos tényezők közül a Föld mágnessége egy kikerülhetetlen tényező főleg a légkör magasabb tartományaiban. • A kozmikus tényezők közül a Nap elektromágneses és korpuszkuláris sugárzása (másképpen napszél vagy űridőjárás) a legfontosabb.
Elektrodinamikai tartomány • A Föld légkörének azon övezeteit, ahol a töltött részecskék száma és mozgása határozza meg döntően a légkör állapotát a légkör elektrodinamikai tartományának nevezzük. Ezek a magnetoszférában és az ionoszférában vannak. • Shock wave - lökéshullám
Elektrodinamikai tartomány • E elektrodinamikai tartomány két részre oszlik: egy olyan részre, ahol a magnetoszféra „anizotrópikus” hatása nem érvényesül, ez a „hideg” plazma övezete az alsó ionoszférában, és egy olyan részre, ahol a magnetoszféra „anizotrópikus” hatása érvényesül, ez a „meleg” plazma övezete a felső ionoszférában és a magnetoszférában. • A légkör elektrodinamikai tartományának tanulmányozásával a geofizika foglalkozik.
Magnetoszféra
• Föld mágneses térerőssége
Magnetoszféra Sarki fény (aurora borealis, aurora australis)
Magnetoszféra
Magnetoszféra
Magnetoszféra
Ionoszféra • Az ionoszférában az elektromos vezetés összehasonlíthatatlanul nagyobb, mint a légkör elektrosztatikai tartományában. • Az ionoszféra tartománya ott kezdődik, ahol az elektromos vezetésben ez az ugrásszerű növekedés észlelhető. E magasság változó térben és időben, de általában kb. 60 km-es magasságot vesznek.
Ionoszféra • Az ionoszféra elektromos vezetését döntően a szabad és igen nagy mozgékonysággal rendelkező elektronok (e) határozzák meg. Ugyanis az ionoszférában a töltött részecskék száma továbbra is sokkal kisebb a neutrális atomok, molekulák számához képest. • Az elektronok sűrűsége (Ne) igen változó mind térben, mind időben. E változások igen széles határok között teljesülnek.
Ionoszféra • Az Ne profiljának kialakulását a levegő sűrűsége és az ems (ezentúl csak röviden sugárzás) gyengülése határozza meg, mint ahogy az ábrán látható. Ez az ún. Chapman-féle elmélet.
Elektrodinamikai tartomány: abszorpció az UV tartományban O, O2 (termoszféra), O3 (sztratoszféra), N, N2 (termoszféra)
Ionoszféra
• Hőmérsékleti profil és az ionoszféra aljának magassága
Ionoszféra • A megfigyelt profilok hasonlók az előbb kapott elméleti profilhoz. Látható az is, hogy e profilok jelentősen változnak a naptevékenységtől (napfolttevékenység → napszél) függően. • a) nappal, b) éjjel
Ionoszféra
• Az Ne profilok napi változásai, pl. az átmenet a nappaliból az éjjeli időszakba szintén jelentős.
Elektrosztatikai tartomány • A Föld légkörének azon övezeteit, ahol a töltött részecskék száma a semleges részecskék számához képest kicsi, azaz, ahol a levegő dielektrikumként (szigetelőként) viselkedik a légkör elektrosztatikai tartományának nevezzük. • E elektrosztatikai tartomány a földfelszín és az ionoszféra között van. • A légkör elektrosztatikai tartományának tanulmányozásával a geofizika mellett a meteorológia is foglalkozik.
A légköri elektromos áramkör • Az ionoszféra számunkra csak olyan szempontból fontos, hogy az ún. elektroszféra alsó tartománya. • Ugyanakkor a mérések szerint állandóan létező, de értékeit illetően változó potenciál különbség van a földfelszín és az elektroszféra között. • Felvetődik a kérdés: mi tartja fenn e potenciál különbséget? És vannak-e potenciál különbséget csökkentő folyamatok? • E kérdések taglalásával akaratlanul eljutunk a légköri elektromos áramkör jelenségének megismeréséhez.
A légköri elektromos áramkör • Előbb írjuk le röviden, majd mutassuk be a légköri elektromos áramkör fontosabb elektrosztatikai paramétereit! • Legvégül utaljunk azokra a tényezőkre is, melyek közrejátszottak a jelenség megismerésében is!
A légköri elektromos áramkör
• A légköri elektromos áramkör „müködtetői” a zivatarok és a zivatarmentes területek, melyeket röviden „szép idő zónának” fogunk nevezni.
A légköri elektromos áramkör • Kihangsúlyozom, hogy a zivatarokkal borított területek nagysága (minden pillanatban gorombán a földfelszín 280-ad része) sokkal kisebb, mint a zivatarmentes területek nagysága. Ezt ugyanis az ábra nem érzékelteti.
A légköri elektromos áramkör • Az ábra azt sugallja, hogy 1) a földfelszín és az elektroszféra közötti potenciál különbséget a zivatarok tartják fenn, míg 2) a potenciál különbséget csökkentő folyamatok a „szép idő” zónában (zivatarmentes területek) mennek végbe.
A légköri elektromos áramkör • A töltések térbeli szétválasztódásában tehát nagy szerepe van a zivatartevékenységnek. Hogy hogyan és mint történik ez a zivatarokban, ezt a mai napig sem tudjuk pontosan és megbízhatóan. • Láthatjuk azt is, hogy a töltések térbeli szétválasztódása mellett, e töltéseknek a földfelszínre vagy az elektroszférába történő transzportja is fontos. E transzportokat a „kisülések” hordozzák. Ezt különben érzékelteti az ábra is!
A légköri elektromos áramkör • Mit mondhatunk e kisülésekről? Pl. azt, hogy földfelszín irányába teljesülő kisüléseket sokkal előbb tapasztalhattuk, mint az elektroszféra irányába teljesülő kisüléseket. • Ezért e utóbbiakról igen keveset tudunk. Pedig gigantikus méretűek! • http://www.agu.org/meetings/fm10/lectures/lecture_video s/AE12A.shtml. (Davis Sentman cikk)
A légköri elektromos áramkör • A töltések mozgását a „szép idő” zónában a levegő elektromos ellenállása és az elektromos térerősség határozza meg. Az ábra azt is érzékelteti, hogy az elektromos ellenállás kisebb a magasabb, míg nagyobb az alacsonyabb tartományokban. Most nézzük a további részleteket!
A légköri elektromos áramkör • A földfelszín negatív töltésű. A földfelszín ugyanis „rengeteg” szabad e-t tartalmaz. Hogy miért, azt majd később fogjuk meglátni. Kihangsúlyozom, hogy ezek az e-ok a földfelszín „rabjai”, azaz nem tudnak onnan bejutni a felszín közeli légkörbe. • Az elektroszféra a földfelszínhez képest pozitív töltésű.
A légköri elektromos áramkör • A polaritási viszonyoknak megfelelően az elektromos térerősség vektor (E) az elektroszférától a földfelszín irányába mutat. Ő negatív előjelű, mivel ellentétes irányú a fölfelé mutató z koordinátával. • Ennek megfelelően a pozitív töltések lefelé, míg a negatív töltések fölfelé mozognak. Az áramot a lefelé mozgó pozitív töltések és a fölfelé mozgó negatív töltések összege adja.
A légköri elektromos áramkör • Számoljunk ki néhány elektrosztatikai karakterisztikát! E karakterisztikák nyílván csak a „szép idő” zónában érvényesek. A zivatarokkal borított területeken nem. • A mérések alapján a „szép idő” zónában a J áramsűrűség kb. 3∙10-12 Am-2. Ha ezt az értéket beszorozzuk a földfelszín nagyságával (R≈ 6400 km → f≈ 515∙1012 m2), megkapjuk az elektroszféra és az Föld közötti áram nagyságát, ami kb. 1700 A·földfelszín-1 (Amper=Coulomb∙s1).
A légköri elektromos áramkör • Mivel az elektroszféra és a földfelszín közötti potenciál különbség 250 000 V körülinek vehető, az ionoszféra alatti légkör átlagos elektromos ellenállása (R) 150 Ω·földfelszín körül van. • Számoljuk ki a felületi töltéssűrűséget!
C V 0 E 8,84 10 [ ]150[ ] 1,3 109 Cm 2 V m m 12
Mivel 1e= 1,602∙10-19 C, ez alapján látható tehát, hogy 1 m2 felszínen megközelítően 10000 millió e van (~0,8 106 e·cm-2). E nagy e sűrűség a negatív polaritású villámkisüléseknek köszönhető.
Elektromos térerősség • Az előbbi számításban a földfelszín közeli elektromos térerősséget a „szép idő” zónában 150 Vm-1 értékűnek vettük. • A megfigyelések szerint az E-nek van azonban szabályos napi menete a „szép idő” zónában. Másrészt e napi menet évszakonként és felszín típusonként is változik (azaz különbözik a szárazföldek és az óceánok fölött).
Elektromos térerősség • A tipikus napi menet(ek) az óceánok fölött figyelhető(k) meg, ott ugyanis a zavaró hatások (pl. a radioaktív sugárzás ionizációs hatása) kisebbek. E tipikus napi meneteket (az átlaghoz vett százalékos eltérésben) az UTC függvényében az ún. Carnegie és Maud görbék szemléltetik.
Elektromos térerősség • A mérések alapján kapott szezonális változások szintén jelentősek. A napi menetek szerint az E a késő délutáni, esti órákban a legnagyobb, míg a hajnali órákban a legkisebb.
Elektromos térerősség • E mérésektől függetlenül a zivatar aktivitás napi változásait is figyelték. A zivatar aktivitás mértékének a zivatarokkal borított területek nagyságát vették. • És mit vettek észre?
Elektromos térerősség • Egyrészt: az előbbi módon értelmezett zivatar aktivitás kontinensenként változik, • másrészt: az egész Földre (összes kontinens) vonatkozó zivatar aktivitás napi menete késő délutáni, esti maximummal és hajnali minimummal rendelkezik. • E napi menet viszont „kisértetisen” hasonlít az E napi menetére a „szép idő” zónában.
Elektromos térerősség • Ezek után föltehetjük a kérdést: van-e kapcsolat a Földre vonatkozó zivatar aktivitás napi menete és a „szép idő” zónában észlelt E napi menete között? • Manapság ezzel kapcsolatban már az a hivatalos tudományos álláspont, hogy a Földre vonatkozó zivatar aktivitás napi menete nagy mértékben meghatározza és szabályozza az E napi menetét a „szép idő” zónában.
• Azaz a zivatar tevékenység a zivatarokon kívüli területeken is érezteti hatását legalábbis a légelektromosság vonatkozásban.
Elektromos térerősség • Az elektromos térerősség abszolút értékben a magassággal csökken. Láthatjuk tehát, hogy az E a földfelszín közvetlen közelében a legnagyobb. Már kb. 10 km-es magasságban gyakorlatilag 0–val egyenlő.
Elektromos térerősség • Az elektromos térerősség ezen jellemzői a „szép idő” zóna területén figyelhetők meg. • Egyébként a zivatar tevékenységgel érintett területeken az E időbeli változása óriási ingadozásokat mutat.
Elektódréteg • Írjuk le röviden a légkör elektromos állapotát a felszín közvetlen közelében! • Az E elektromos térerősség a felszín irányába mutat (a z vertikális koordinátával ellentétes irányú). Ez miatt a + töltések lefelé, míg a – töltések fölfelé mozognak az E hatására. • Láthatjuk tehát azt is, hogy a + töltések állandó, lefelé tartó, míg a – töltések állandó fölfelé tartó mozgása miatt, a felszín közvetlen közelében több lesz a +, mint a – töltés. Ezt a + töltéstöbblettel rendelkező felszín közeli réteget nevezzük elektródrétegnek. Az elektódréteg teteje addig a szintig terjed, ahol már a + és a – töltések száma egyenlőnek vehető.
Elektódréteg
• Numerikus szimulációk eredményei alapján ez látható is.
Elektródréteg
• Különböző hatások
Az elektroszféra potenciálja • Az elektromos térerősség definiciója alapján, az elektroszféra potenciálja:
E ( z)
HE
E ( z)dz , 0
ahol HE az elektroszféra magassága. A ΦE igen széles határok között (145 – 608 kV) változik, átlagos értéke 250-300 kV. Mivel az E rendelkezik napi menettel a ΦE-nek is van napi menete.
Az elektroszféra potenciálja
• A ΦE napi menete a „szép idő” zónában.
Vezetőképesség • A j áramsűrűség a töltéssűrűség (n) (a töltések száma az egységnyi térfogatban), a töltésmennyiség (q) és a töltések mozgási sebességének (v) szorzata.
j n q v. • A v függ az elektromos térerősségtől, de az ion nagyságától is. Ugyanis a „nagy” ionok lassúak, a „kicsik” pedig gyorsak. Ezt úgy is szoktuk mondani, hogy a „nagy” ionok mozgékonysága (mobilitása (k a jelölése, mértékegysége m2·s-1·V-1)) kicsi, míg a „kis” ionoké nagy. A mozgékonyság tehát az ion sebessége az egységnyi térerősségben. Így
j n q k E.
Vezetőképesség • Ez úgy is felírható mint
j E ahol nqk. σ a levegő elektromos vezető képessége. A σ tehát a töltéssűrűségtől és a töltések mobilitásától (ez ion karakterisztika) függ. A felszín közvetlen közelében (E=80-150 Vm-1) a σ≈ 10-14 Ω-1m-1, 40 km-es magasságban σ≈ 10-11 Ω-1m-1, míg a ionoszférában σ≈ 10-5 Ω-1m-1.
Vezetőképesség
• σ profilja 30 km-ig
Vezetőképesség
• σ profilja 30 km felett
A légoszlop elektromos ellenállása • A vezetőképesség magasság szerinti változásának ismeretében az egységnyi alapterületű légoszlop elektromos ellenállása (Rc) is becsülhető.
Rc
HE
0
1 dz . ( z) ( z)
• HE az elektroszféra (ionoszféra) magassága. Az Rc fogalmának nyilván csak a „szép idő” zónában van értelme. Ott, ahol az elektrosztatikai megítélések alkalmazhatóak. • Az Rc típikus értékei 1017 Ωm2. Ha a m2-t átszámoljuk a Föld bolygó felszínének nagyságára, megkapjuk a Földre vonatkozó átlagos Rc-t, ami 200 Ω körül van. Ezúttal persze elhanyagoltuk a konvekció elektromos vezetésre gyakorolt hatását.
Az áramsűrűség változásai • Hogyan változhat a magassággal a j=σ∙E áramsűrűség, ha a σ a magassággal nő, míg az |E| csökken? • A megfigyelések igazolják, hogy a j áramsűrűség nem tanúsít szisztematikus változást a magassággal az ionoszféra alatti tartományban, a „szép idő” zóna területein. Azaz a j nem rendelkezik konvergencia, vagy divergencia tartományokkal.
Az áramsűrűség változásai • A j nagyságrendje 10-12 Am-2, azaz pAm-2. Ez az áramsűrűség a tiszta arktikus levegőben a legnagyobb (3,9∙10-12 Am2). A kontinentális környezetben valamelyest kisebb (1,3∙10-12 Am-2).
A töltéssűrűség változásai • A töltéssűrűség (ρ) és a térerősség (E) közötti kapcsolatot a Gauss törvénye jellemzi. Ez egydimenziós esetben (a z vertikális koordináta függvényében) a következőképpen írható fel:
E ( z ) ( z ) , z • ahol ε a levegő dielektromos állandója.
A töltéssűrűség változásai
• A töltéssűrűség magasság szerinti változásai Gauss törvénye alapján
Az ionoszféra alatti légkör elektromos tulajdonságai a zivatarok környezetében • Mint ahogy láthattuk, a légköri elektromos áramkör „meghajtói” a zivatarok. Ugyanis intenzív töltésszétválasztást végeznek. • De a zivatarok környezetében (alattuk, fölöttük) hatékony töltéstranszport folyamatok is vannak. Ezek közül a folyamatok közül kiemelt fontossággal bírnak a különböző típusú kisülések. • A Földön minden pillanatban 1000-2000 zivatar zajlik.
Maxwell áram • Maxwell áram komponensek a zivatar alatt:
E J M J PD J CV J P J L J E , t PD – point discharge (pontkisülés), CV – convection (konvekció), P – precipitation (csapadék), L – lightning (villámlás), E – conduction (elektromos vezetés).
Maxwell áram • Maxwell áram komponensek a zivatar felett
JM
E JE . t
Maxwell áram • magaslégköri kisülések
A troposzféra és a sztratoszféra elektromos állapotának kialakulása: alapvető folyamatok A légköri folyamatokban töltések 1) keletkezhetnek (forrás folyamatok) (Q), 2) semlegesülhetnek (nyelő folyamatok) (L), 3) cserélődhetnek (töltéshordozó cserére kerül sor) és 4) transzportálódhatnak (helyváltoztatásra kerül sor). Ennek fényében a töltésekre a következő kontinuitási egyenlet írható fel:
ni Q L div(ni v ) . t
A troposzféra és a sztratoszféra elektromos állapotának kialakulása Nézzük sorba a tagokat! • Töltések keletkezhetnek ionizációval és a felhőkben a töltésszétválasztó folyamatokkal. Ez utóbbiakkal később fogunk foglalkozni. Az ionizáció fenomenológiájával pedig foglalkozzunk most! • A légkörben az ionizációt a kozmikus és a radioaktív sugárzás hozza létre. Az ionizáció erőssége (az egységnyi térfogatban és az egységnyi idő alatt keletkező ionpárok) változik a magassággal.
Ionizáció • Látható, hogy a felszín közelében a radioaktív sugárzás, míg az 1 kmnél magasabb szintekben a kozmikus sugárzás az ionizáció fő okozója. • Az ionizáció erőssége a felszín közelében (1-10 m-es magasság) 1-20 ionpár köbcentiméterenként és másodpercenként.
Ionizáció A radioaktív sugárzás a földfelszín közvetlen közelében (cm-es távolságokban) fejti ki hatását. • Az α-sugárzás az első egynéhány cm-ben. • A β-sugárzás az első egynéhány m-ben (0,1-10 ionpár/(cm3s)). • A γ-sugárzás az első egynéhány 10 m-ben (1-6 ionpár/(cm3s)).
Ionizáció • A radioaktív anyagok közül a Rn (radon) említendő meg. 220Rn felezési ideje 54 s, míg a 222Rn 3,8 nap. • A levegőben elektromosan töltött részecskék is ionizálhatnak, pl. por- és hóviharokban, de ehhez nagy elektromos térerősség szükséges. • A levegőben 1 ionpár létrehozásához szükséges energia 35 eV körül van.
Ionok • Mi a létrejött ion(ok) további sorsa? • Elvileg két lehetőség van: vagy rekombinálódnak (töltéssemlegesítő folyamat), vagy felveszi őket egy semleges molekula vagy részecske (ez utóbbi a töltéscsere folyamata). A két folyamat közül mindig a gyorsabb folyamat teljesül. • A légkör alacsonyabb tartományaiban a töltéscsere folyamatok gyorsabbak, mint a rekombinációs folyamatok, így a létrejött ionok semleges molekulához, vagy részecskéhez csapódnak. De írjuk le részletesebben e folyamatot!
Ionok • A létrejött iont molekuláris ionnak nevezzük. A molekuláris ion pillanatok alatt (10-3 s az időskála) hidratálódik, azaz poláros vízmolekulák veszik körül. E képződményt már kis ionnak nevezzük.
Ionok • A kis ion nagy valószínűséggel –főleg ha szennyezettebb a légkör- összeolvad egy aeroszol részecskével, és létrejön a nagy ion. • E nagy ion mozgékonysága viszont már kicsi, így a levegőben az elektromos vezető képesség is csökken.
Ionok • Az aeroszolok különben hatékony ionfelvevők. • Ezért: a „tiszta légkör” (az aeroszolok számsűrűsége kicsi) elektromos vezető képessége „nagy”, míg a „szennyezett légkör” (az aeroszolok számsűrűsége nagy) elektromos vezető képessége kicsi.
Töltéssemlegesítő folyamatok • A légkör magasabb tartományaiban, ahol az ionsűrűség nagyobb, a töltéssemlegesítő folyamatok teljesülésének valószínűsége is nagyobb. • E folyamatok két típusát különböztetjük meg: 1) az e-ion rekombinációt és 2) az ion-ion rekombinációt. Most ezeket ismertetjük röviden.
Elektron-ion rekombináció • E folyamat általános alakja:
X e X energia. A folyamat lejátszódásával energia szabadul fel. Ugyanis a „szabad” e és a kötött e energiája közötti energia különbség szabadul fel. De mi történik a felszabaduló energiával?
Elektron-ion rekombináció • A folyamatban részt vehet egy harmadik részecske is. Ekkor hármas ütközési rekombinációról beszélünk. A felszabaduló energia a részecske mozgási energiájává alakul. A folyamat sematikus ábrája:
X e M X M.
Elektron-ion rekombináció • A folyamat során a folyamatban részt vevő részecske részelemekre is eshet (ezt disszociációnak is mondják). A felszabaduló energia pedig a keletkező részecskék gerjesztésére fordítódik. Az e típusú rekombinációt disszociatív rekombinációnak nevezzük.
XY e X Y .
Elektron-ion rekombináció • A rekombináció során felszabaduló energia sugárzási energia formájában is távozhat. Az ilyen típusú rekombinációt sugárzási rekombinációnak nevezzük. Folyamatábrája:
X e X hv.
Ion-ion rekombináció • Egy pozitív és egy negatív ion közötti reakció folyamatábrája:
X Y X Y. • A légkör alsó 40 km-es tartományában a Thomson-féle hármas rekombináció van túlsúlyban. A kísérletek szerint a hármas rekombináció együtthatója a páratartalom függvénye. • A légkör 40 km feletti tartományaiban a kettős rekombináció van túlsúlyban.
Töltéscsere folyamatok • A töltéscsere folyamatoknál a töltés megmarad, de töltéshordozó váltásra kerül sor. • A folyamat lejátszódása során történhet energia felszabadulás is, de energia elnyelés is. Ez a folyamatban résztvevő részecskék ionizációs potenciáljának és elektron affinitásának viszonyától függ. • A töltéscsere folyamatok lehetnek: 1) elektronfelvétel, 2) elektronleadás, 3) ion-molekula reakció és 4) ion-aeroszol koaguláció. Jellemezzük most őket röviden!
Elektronfelvétel • Amikor a semleges atom, molekula szabad e-t vesz fel elektronfelvételről beszélünk. Angolul: attachment. A folyamat egyenlete: X e X energia.
• A felszabaduló energiát felhasználhatja egy harmadik részecske (pl. a részecske mozgási energiájává alakul) X e M X M .
Elektronfelvétel • A felszabaduló energia fordítódhat disszociációra és gerjesztésre is.
XY e X Y . • De a felszabaduló energia távozhat sugárzás formájában is.
X e X hv.
Elektronfelvétel • A légkör 60 km alatti tartományaiban az uralkodó folyamat a hármas ütközés. A harmadik részecske az esetek legnagyobb százalékában – a kísérletek szerint- az O2 molekula.
O2 e O2 O2 O2 195 K T 600 K .
A legstabilabb negatív ion • A légkörben a legstabilabb negatív ion az NO2-. Egyrészt legnagyobb az elektron affinitása, másrészt nem elektronfelvétellel, hanem a következő levegőkémiai reakcióval jön létre:
O2 NO2 NO2 O2 . • Nyilván azért, mert e reakció gyorsabb, mint az egyszerű elektron felvétel.
Elektronleadás • Mikor a negatív ion e-t ad le elektronleadásról beszélünk. Angolul: detachment. A folyamat egyenlete:
X energia X e. • A reakció teljesüléséhez energia szükséges, melynek értéke legalább akkora, amekkora az elektronaffinitás értéke. A negatív előjel energia elnyelésre utal.
Elektronleadás • Az energiaközlés módja szerint megkülönböztetünk ütközési energia közlést
X M X M e • valamint foto vagy sugárzási energia közlést.
X hv X e. • Ha a hv energia nagyobb, mint az adott ion elektronaffinitása az energia különbség az e mozgási energiájára fordítódik. A légkör 20-60 km-es tartományában nappal a fotoleválás, míg éjszaka az ütközéses leválás az uralkodó folyamat.
Ion-molekula reakció • A folyamat egyenlet általános alakja:
X
YZ X YZ
E.
• A +ΔE energia felszabadulást, míg a – ΔE energia elnyelést jelent. Látható tehát, hogy a ΔE energiát a folyamatban résztvevő részecskék ionizációs potenciáljai határozzák meg.
Ion-molekula reakció • Amennyiben az X+ részecske ionizációs potenciálja nagyobb, mint az YZ molekuláé, a folyamat lejátszódásakor energia szabadul fel, azaz ΔE pozitív. • Fordítva, amennyiben az X+ részecske ionizációs potenciálja kisebb, mint az YZ molekuláé, a folyamat lejátszódásához energia szükséges, azaz ΔE negatív. • Ugyanez a gondolatmenet érvényes az Xrészecskére is.
Ion-molekula reakció • Típusaiból kettőt említünk: a töltésátadással kapcsolatos reakciókat, általános alakjuk:
X
YZ X YZ
• és az ion-atomcsere típusú reakciókat, általános alakjuk:
X
YZ XY
Z.
Az ionok és az aeroszolok koagulációja • A folyamat egyenlet általános alakja:
B0 a
C .
• A koaguláció vagy összeolvadás folyamata eltér a különböző reakció folyamatoktól pl. a sebességében. A B0 aeroszolt, az a+- kis iont, míg a C+- közepes vagy nagy iont jelöl. • A folyamat sebességét nehéz megítélni, mivel a töltéssel rendelkező aeroszollal való összeolvadás sebességét igen nehéz becsülni. Ennek becsléséhez a semleges aeroszollal való összeolvadás sebességének becslése szükséges. • E koagulációs folyamatok olyan szempontból meghatározóak, hogy nagy mértékben csökkentik a levegő elektromos vezető képességét az aeroszolok kicsi mozgékonysága miatt.
Töltésszállító folyamatok • A töltéstranszportot meghatározza a konvekció, turbulencia valamint az ambipoláris diffúzió.
Ambipoláris diffúzió • Az ambipoláris diffúzió a töltések, azaz a töltéshordozók diffúziójával és vezetésével kapcsolatos jelenség, ahol a töltött részecskék mobilitása meghatározó tényező. • Ismertessük a jelenséget egy példán és magyarázzuk meg!
Ambipoláris diffúzió • Szemléljünk szabad elektronokat (e) és ionokat! Mozgásukat koncentrációjuk, valamint elektromos térerősségük (E) határozza meg. Legyen Je az e-ok, míg Ji az ionok árama.
ne J e ke ne E De , x ni J i ki ni E Di . x
Ambipoláris diffúzió • Tegyük fel, hogy
Je Ji , ne ni n.
• Ekkor
• ahonnan
n n ke n E De ki n E Di x x
n Di De x E . ki k e n
Ambipoláris diffúzió • Az E-t behelyetesítve a Ji-be
Di De 1 n n J i ki n Di . x ki ke n x • Ha ezt átrendezzük n J i Da , x ahol ki De k e Di Da . ki k e
Ambipoláris diffúzió • Mivel ke>>ki
ki Da Di De . ke
• Ugyanakkor
D T K , k q ahol K a Boltzmann állandó, T az abszolút hőmérséklet és q az ion töltése.
Ambipoláris diffúzió • Kombinálva az előbbi egyenleteket
Te Da Di (1 ). Ti • Látható, hogy a Da-t a Di függvényében fejeztük ki. Ugyanis az ion diffúziós együtthatója megközelítően egyenlő a semleges atom diffúziós együtthatójával.
Ambipoláris diffúzió • A diffúziós egyenletben a Da tag szerepel, így
n n Da 2 . t x 2
Elektromos jelenségek és folyamatok a felhőkben
• A felhőkkel kapcsolatban az egyik alapvető kérdés az, hogy módosítják-e a felhők a jelenlétükkel a földfelszín és az ionoszféra közötti, állandónak vehető j vezetési áram nagyságát?
Elektromos jelenségek és folyamatok a felhőkben • A válasz: nem. • De ennek (hogy nem módosul a j áram) következményeképpen kialakul egy érdekes jelenség a felhők határfelületén. A felhők határfelületeit angolul – egy kicsit megtévesztően – „screening layer”-nek (árnyékoló rétegnek) nevezték el. • De, hogy miről is van szó, nézzük meg a következőkben!
Elektromos vezetés a felhőben • Ugyanazon magasságban a felhőben levő elektromos vezetés kisebb, mint a felhőn kívüli levegőben. Mondhatjuk úgy is, hogy a felhő jobb dielektrikum, mint a levegő. • Rust and Moore (1974) szerint a felhőben levő levegő vezetése a felhőn kívüli levegő vezetésének kb. 10%.
Screening-layer • A nagy vezetésbeli különbségek miatt a felhő határfelülete mentén markáns töltéssűrűség-különbség alakul ki. • A töltéssűrűség kisebb lesz a határfelület külső, szabad levegővel érintkező oldalán, és nagyobb lesz a határfelület belső oldalán a felhőn belül.
Screening-layer • Az ilyen eloszlás a j vezetési áram (a j állandónak vehető és elhanyagolható a magasság szerinti változása) folytonosságából következik. Ugyanis a határfelületen a következő feltétel érvényesül:
clear Eclear cloud Ecloud
Screening-layer • Grenet-Vonnegut modell
Screening-layer • A „screening” szó árnyékolást, védést jelent, de a kifejezés egyfajta „övezetbehatároltságra” utal. • A felhő belső tartományai a széleken egy nagyobb töltéssűrűségű réteggel vannak behatárolva, de ez a réteg se nem „véd”, se nem „árnyékol”. • Annak ellenére sem „véd”, vagy „árnyékol”, hogy e réteg vastagsága akár 100 m-es nagyságrendű is lehet.
Különböző felhőfajták elektromos tulajdonságai • Imyanitov és Chubarina (1967), valamint Imyanitov és mtsai. (1972) tanulmányainak eredményeit ismertetjük.
• A vizsgált felhőfajták: St, Sc, As és a Ns. A fontosabb mérési eredmények összesítése a alábbi táblázatokban látható.
Különböző felhőfajták elektromos tulajdonságai
Különböző felhőfajták elektromos tulajdonságai
Különböző felhőfajták elektromos tulajdonságai
Különböző felhőfajták elektromos tulajdonságai A legfontosabb eredmények: • Az |Emax| növekszik haladva az St, Sc, As, Ns sor mentén. • Ugyanazon felhőfajtán belül a felhővastagság növekedésével az |Emax| is növekszik. • A nyári felhők |Emax|-ja nagyobb, mint a téli felhők |Emax|-ja. • A felhő vastagodásával az elektromos szerkezete is [E(z)] összetettebbé válik.
Stratus • Emin=-500 Vm-1, Emax=1500 Vm-1, • E80%=-300 és 100 Vm-1 között volt.
Stratocumulus • Emin=-1400 Vm-1, Emax=1600 Vm-1, • E80%=-400 és 200 Vm-1 között volt. • Allee és Phillips (1959) mérési eredményei szerint egy kb. 7 μm-es átmérőjű cseppecske átlagban qavg≈10-18 C (ez kb. 10 e töltése) nagyságú töltéssel rendelkezik. • Phillips és Kinzer (1958) eredményei alapján a csepp növekedésével a töltésmennyiség is növekedett. • A felhő belsejében az elektromos vezetés a felhőn kívüli, ugyanazon szintben levő levegő elektromos vezetésének kb. 5-30%. • A felhők kb. 2/3 része dipólus szerkezetű.
Cirostratus • Emin=-2000 Vm-1, Emax=900 Vm-1, • E80%=-400 és 200 Vm-1 között volt. • Az eredmények igen kevés mintából származnak. • Az eredmények attól is függnek, hogy a vizsgált Cs hogyan jött létre: önálló fejlődéssel, vagy más felhőről történő leszakadás révén?
Altostratus • Emin=-6450 Vm-1, Emax=1450 Vm-1, • E80%=-600 és 100 Vm-1 között volt. • Itt a töltésszétválasztás és a töltések elkülönülése nyilvánvalóan még nagyobb.
Nimbostratus
• A hideg, a meleg és a vegyes halmazállapotú Ns E(z) profilja.
Nimbostratus • Emin=-18000 Vm-1, Emax=12000 Vm-1, • Brylev és mtsai. (1989) bevezetik az elektromosan aktív zóna (nagy elektromos térerősségű tartomány) [EAZ – electrically active zone] fogalmát.
Nimbostratus
• Az EAZ-t jellemző paraméterek
A villámlást, mennydörgést kiváltó felhők: a zivatarfelhők Elektromos szerkezet
• A zivatarfelhők elektromos szerkezete [E(z)] első közelítésben pozitív dipólusként (fenn +, míg lenn – a töltéstartomány) jellemezhető. Mondjuk ki, hogy a felhő össztöltése különbözhet nullától, azaz a neutralitás feltételezése nem szükségszerűen áll fenn.
Elektromos szerkezet • A megfigyelések és a modellszámítások alapján azonban a Cb elektromos szerkezete tripólusként is közelíthető. • Megfigyelhető egy alsó, pozitív töltéstartomány (angolul: lower positive charge center, LPCC)
Elektromos szerkezet
• Ugyanez a tripólus szerkezet mérések alapján a következőképpen ábrázolható.
Elektromos szerkezet • A töltéstartományokra vonatkozó töltésmennyiség- (Q) és magasság-értékek (z) az alábbi táblázatban tekinthetők át.
Elektromos szerkezet
• De az elektromos szerkezet lehet sokkal összetettebb is. Ime egy modellszimuláció alapján kapott kép.
Általános jellemzők A Cb elektromos szerkezetével kapcsolatos általános jellemzők a következők: • A negatív töltéstartomány általában addig a magasságig terjed, ahol még T>-25 °C-nál, esetenként, ahol T>-10 °C-nál. • A pozitív töltéstartomány közvetlenül (kb. 1 km-el magassabban) a negatív töltéstartomány felett van. • Az E(z) profilok alapján a pozitív és negatív töltésű tartományok több rétegre is tagolódhatnak (lásd az előbbi ábrát!).
Általános jellemzők • Az észlelt E-értékek a felszín közelében 1-10 kVm-1, a felhőalap magasságában 10-50 kVm-1, míg a felhő belsejében 70-200 kVm-1 értékűek. • A felhőn belül észlelt maximális töltéssűrűség ≈ 10 nCm-3 (50-100 elemi töltés cseppenként, ha cm3-ként 1000 cseppet veszünk). • A hidrometeorokon észlelt maximális töltéssűrűség (pl. esőcsepp esetén) ≈ 200 pC, ami kb. 109 elemi töltést jelent. • A csapadékelemek többnyire pozitív töltésűek, de a töltésüket jelentősen befolyásolják a felszín közeli kis-ionok töltései is. • A zivatarfelfő alatti kis-ion tartományt a felszínen történő pont- és koronakisülések jelentős mértékben szabályozzák.
Fejlődési fázisok • A Cb fejlődése szakaszokra bontható. • Minden egyes szakaszban a dinamikus, a mikrofizikai és az elektromos jellemzők viszonya más és más. Foglaljuk össze röviden e viszonyrendszert fejlődési szakaszonként!
A fiatal cumulus fázisa • Dinamika: gyenge feláramlás, nincs leáramlás. • Mikrofizika: túltelítés a feláramlási zónában, intenzív diffúziós cseppnövekedés (max. cseppfolyós víztartalom), túlhűlt vízcseppek, jégképző magvak képződése és a jégrészecskék diffúziós növekedése ha T≤-10 °C. • Elektromosság: nincs neminduktív típusú töltésszétválasztás.
A tornyosuló cumulus fázisa • Dinamika: erős feláramlás, gyengébb leáramlás a középső szintekben. • Mikrofizika: max. cseppfolyós víztartalom, a kis jégkristályok feláramlása, a nagy jégkristályok leáramlása, a jégkristályok zuzmarásodása, hódaraképződés. • Elektromosság: nem-induktív típusú töltésszétválasztás (negatív töltésű hódara, pozitív töltésű jégkristályok), pozitív töltéstartomány kialakulása a földfelszínen.
Ütközési együttható, zúzmarásodás
• A zúzmarásodáskor zajló ütközések valószínűsége
Ütközési együttható, zúzmarásodás
• A zúzmarásodáskor zajló ütközések valószínűsége
Ütközési együttható, zúzmarásodás
• A zúzmarásodáskor zajló ütközések valószínűsége
Az érett Cb • Dinamika: erős feláramlás, erős leáramlás kifutó széllel a felszínen. • Mikrofizika: max. cseppfolyós víztartalom, a jégkristályok intenzív zuzmarásodása, a hódara olvadása, párolgása, ami erősíti a leáramlást. • Elektromosság: intenzív töltésszétválasztás, a felhő dipólus elektromos szerkezetének erősödése, a felszín pozitív töltéstartományának erősödése, negatív lecsapó villám kialakulása.
A szétoszló Cb • Dinamika: gyenge feláramlás, erős leáramlás. • Mikrofizika: a telítés csökkenése, a cseppfolyós víztartalom csökkenése, a hódaraképződés csökkenése. • Elektromosság: megszűnik a töltésszétválasztás, a pozitív dipólus deformálódása az üllő szétterülése miatt, negatív töltéstartomány kialakulása a földfelszínen, pozitív lecsapó villám kialakulása.
A töltésszétválasztás mechanizmusai • A felhőkben a hidrometeorok, és nem az ionok, vagy az aeroszolok a töltéshordozók. Ez a felhőben levő telítési és/vagy túltelítési állapot és az ion-aeroszol koaguláció megnövekedett mértékének következménye. • Így, a töltésszétválasztás a hidrometeorok mikrofizikájával és mozgásával kapcsolatos.
A töltésszétválasztás mechanizmusai • A mikrofizika (pl. a fázisátalakulás és a vele járó hőfelszabadulás) szerepéről a töltésszétválasztásban igen keveset tudunk. • Egyértelmű, hogy a víz szerkezete és a vele kapcsolatos fázisátalakulások (kondenzáció/párolgás; depozició/szublimáció) döntő jelentőséggel bírnak.
A töltésszétválasztás mechanizmusai • Az is nyilvánvaló, hogy a hidrometeorok kölcsönhatása és mozgása szintén fontos szerepet tölt be a töltésszétválasztásban. Tekintsük át az előbb említett hatásokat részletesebben!
A vízmolekula szerkezete
A víz mint anyag • A vízmolekulák poláros szerkezetének következményeképpen kialakulnak a vízmolekulák közötti ún. hidrogén-kötések.
Jég és víz fázis
Jég és víz fázis • A víz mint anyag a jégfázisban több, mint tízféle (15-16) szerkezetileg elkülöníthető állapotban lehet a nyomás és hőmérsékleti viszonyoktól függően. Az állapotokhoz tartozó tulajdonságok is egyértelműen elkülönülnek.
Jégfázis • Jég: tetraéder és hexagonális szerkezetek
A mozgás szerepe a töltésszétválasztásban A hidrometeorok mozgását a felhőben a következő erők határozzák meg: • • • •
Coulomb erő, felületi feszültség, gravitációs erő, felhajtó erő (mechanikai és/vagy termikus eredetű konvekció), • súrlódási erő.
A hidrometeorra ható erők • Az alapvető kérdés az, hogy hogyan viszonyul a Coulomb erő a mechanikai erőkhöz (gravitáció, felhajtó erő, súrlódás) és a felületi feszültséghez (egyfajta mikrofizikai hatást kifejező erő). • A Coulomb erőnek a felületi feszültséghez való viszonya meghatározza a hidrometeoron maximálisan tárolható töltésmennyiséget, míg a mechanikai erőkhöz való viszonya a hidrometeorok mozgását.
A felületi feszültség szerepe • A hidrometeoron az egynemű töltések taszító ereje ellentétes irányú a felületi feszültséggel. Így a töltésmennyiség további növelésével a hidrometeor előbb-utóbb „szétrobbanna”. • Azt a kritikus töltésmennyiség-értéket, melynél e „robbanás” megtörténne Rayleigh-féle határértéknek nevezzük. Felvetődik a kérdés: mekkora e határérték, és mekkorák a valóságban létező értékek?
A felületi feszültség szerepe • E határérték a felületi feszültség 1 2 1 E 2 r ahonnan és a Coulomb erő 2 által végzett munka 3 1/ 2 qRay 8 r . egyensúlyából határozható meg.
A felületi feszültség szerepe • A megfigyelések szerint a hidrometeorokon levő töltésmennyiség-értékek sokkal kisebbek, mint a qRay értékek. • Így, a qRay érték csak elméleti és nem gyakorlati szempontból bír jelentőséggel! Azaz, a qRay érték nem limitálja a hidrometeorokon levő qmax maximális töltésmennyiség-értékeket sem!
A mechanikai erők szerepe • A mechanikai erők szerepe a Coulomb erőhöz viszonyított nagyságuktól függ. Ezért felvetődik a kérdés: mikor a legnagyobb a Coulomb-erő és a mechanikai erők aránya? • A válasz: a Coulomb erő és a mechanikai erők aránya a nagy térerősségben (pl. a kisülés előtti térerősségben) levő kis hidrometeorokon a legnagyobb. De az ilyen estekben is a Coulomb erő legfeljebb csak összemérhető a gravitációs erő nagyságával vagy még annál is kisebb.
A mechanikai erők szerepe
• Nos, az előbbiekből látszik, hogy a felhőkben a töltésszétválasztást nagynagy részt a mechanikai erők szabályozzák a mikrofizikai folyamatokkal együtt.
A töltésszétválasztás folyamatai • A töltésszétválasztás a hidrometeorok kölcsönhatásával zajlik. E kölcsönhatás függ az elektromos térerősség nagyságától (mint ahogy láthattuk: inkább csak kisebb mértékig) és a részecskék típusától.
Induktív és a nem-induktív mechanizmusok • Ha az elektromos térerősség (E) létezése szükséges ahhoz, hogy a hidrometeor töltést kapjon, vagy veszítsen, akkor induktív (indukción alapuló) mechanizmusról beszélünk. Ebben az esetben az E polarizációs hatása fontos tényező a kölcsönhatás lejátszódásában. • Ha a hidrometeor töltésmérlegét nem az E, hanem az E-től független folyamatok határozzák meg, akkor nem-induktív (indukción nem alapuló) mechanizmusokról beszélünk.
Kölcsönhatás-típusok A kölcsönhatás jellegét alapvetően a kölcsönhatásban résztvevő részecskék nagysága határozza meg. Eszerint megkülönböztetünk • ion-részecske és • részecske-részecske típusú kölcsönhatásokat.
Induktív mechanizmusok • Az induktív mechanizmusok inkább ott érvényesülnek, ahol a kölcsönhatásban egy kis részecske is van. Ilyen az ionrészecske kölcsönhatás. • Ebben az esetben a kölcsönhatás módját a részecske esési sebessége és az ion(ok) mobilitása határozza meg.
Induktív mechanizmusok: ionrészecske kölcsönhatás
• A „gyors” és a „lassú” ion esete
Induktív mechanizmusok: ionrészecske kölcsönhatás
• Az ion felvétele, taszítása
Induktív mechanizmusok: részecske-részecske kölcsönhatás • E kölcsönhatás során a tömegátvitel révén töltéssemlegesülés is történik.
Induktív mechanizmusok: részecske-részecske kölcsönhatás Ahhoz, hogy e induktív mechanizmus hatékony legyen, három feltételnek kell teljesülnie: • Az összeütköző részecskéknek nem szabad összeolvadniuk. • A részecskék érintkezési ideje elég hosszú kell legyen, hogy a töltéscsere megtörténhessen. • A részecskéknek ellentétes irányokban kell mozogniuk (a nagy részecske lefelé, a kis részecske felfelé).
Nem-induktív mechanizmusok: részecske-részecske kölcsönhatás • E kölcsönhatások mikrofizikai vonatkozásai (depoziciós növekedés, a kovalens- és hidrogén-kötések erősségének egymás közötti viszonya) sok tekintetben ismeretlenek. Ez már a fizikai kémia vagy a kondenzált anyag fizikájának területe. • Ezért e kölcsönhatásokat „empirikusan”, a környezeti állapot függvényében, jellemezzük.
Nem-induktív mechanizmusok • A hidrometeor „felszíni töltéssűrűségének” polaritása és nagysága függ a fázisváltozás típusától (pl. depozició vagy kondenzáció) és a tömegnövekedés mértékétől (dm/dt).
Nem-induktív mechanizmusok – kettős elektromos réteg • A hidrometeorok felszínén (csepp/levegő; jégkristály/levegő; jégkristály/hódara; hódara/levegő) molekuláris skálán kettős elektromos réteg alakul ki.
Nem-induktív mechanizmusok – kettős elektromos réteg • A felszínen általában OH- ionok vannak, de a töltéssűrűséget vagy a polaritási struktúrát a fázisátalakulással járó hőfelszabadulás, vagy hőelvonás is szabályozza a felszín és a hidrometeor belseje közötti hőmérsékleti gradiens irányának szabályozásával.
Nem-induktív mechanizmusok – kettős elektromos réteg • Az OH- ionok felszíni sűrűségét a fázisátalakulás mértéke (dm/dt) is szabályozza. • A felszíni töltéssűrűség ott nagy, ahol a fázisváltozással járó relatív tömegnövekedési mérték (1/m·dm/dt) nagy.
A gaupel polaritása • Sötét= kis felszíni OHsűrűség
• Se nem sötét, se nem világos= közepes OHfelszíni sűrűség • Világos= nagy felszíni OH- ion sűrűség
Jégkristály/graupel kölcsönhatás I.
II.
Általában a kicsi részecskék (nagy/nagyobb relatív depoziciós mérték) felszíni töltéssűrűsége nagyobb, mint a nagy részecskéké (kicsi/kisebb relatív depoziciós mérték). Ütközés, hőfelszabadulás, olvadékvíz. Az olvadékvízbe az OH- ionok mindaddig gyűlnek, míg a két részecske felszíni töltéssűrűsége ki nem egyenlítődik. Az olvadékvízben levő OH- ionok térbeli eloszlása egyenletes az OH- ionok nagy mozgékonysága miatt.
Jégkristály/graupel kölcsönhatás III. Az olvadékvíz térfogatát megosztja mind a nagy, mind a kicsi részecske. IV. A szétpattanás után a hódara negatív felületi töltéssűrűsége egyértelműen nagyobb, a jégkristályé pedig egyértelműen kisebb, mint az a töltéssűrűség, amivel az ütközés előtt rendelkeztek.
Jégkristály/graupel kölcsönhatás • E kölcsönhatás sok-sok tekintetben ismeretlen. • Ezért e kölcsönhatásokat „empirikusan”, a környezeti állapothatározók függvényében jellemzik.
Jégkritály-jégkristály közötti kölcsönhatás
• Hőmérséklet és víztartalom
Graupel polaritása
• A graupel polaritása a hőmérséklet és a víztartalom függvényében
Grenet-Vonnegut mechanizmus
• A konvekció meghatározó szerepe, • történelmi szemponból fontos
Összefoglalás • A mai felfogásunk szerint a nem-induktív jellegű részecske-részecske kölcsönhatást leíró mechanizmusok a meghatározóak a töltésszétválasztó folyamatokban. • Ugyanakkor azt is tudjuk, hogy a mechanizmusok szerepe és fontossága igen változó a felhő fajtájától és fejlődési stádiumától függően. • A modern meteorológia egyik legfontosabb feladata e mechanizmusok megértése és számszerű leírása.
Légköri elektromos kisülések • Típusai
Légköri elektromos kisülések • A légköri elektromos kisülések közül a legismertebbek a koronakisülés és a villámlás. • Ismerkedjünk meg ezek fenomenológiai leírásával!
Koronakisülés • A szikrakisülésnél kisebb intenzitású pontkisüléseket koronakisüléseknek nevezzük. Fénylésük gyenge, ezért csak a teljes sötétségben látszanak. • A kisülések az elektródok közvetlen közelében vannak, kékes-pirosan világító foltoknak látszanak. A „közbülső térben” ugyanakkor nincsenek fényeffektusok. A folyamat során elektromágneses hullámok emittálódnak, és jellegzetes sercegés hallható.
Koronakisülés • A koronakisülést a szabad elektronok folyama alkotja. • Inicializálása a szabad elektron ionizáló hatásának drasztikus megnövekedésével kapcsolatos, amikor a tényleges elektromos térerősség (E) eléri a koronakisülést eredményező kritikus elektromos térerősségértéket (Ekrit). Azaz, amikor
E Ekrit .
Koronakisülések fajtái • A légköri koronakisülések közül a felszíni objektumokon történő és a felhőn belül a hidrometeorokon történő koronakisüléseket különböztetjük meg. • A felszíni koronakisülések esetében az Ekrit értéke nagy mértékben függ a felszín anyagi minőségétől (növényzet, szikla, talaj) és formájától (csúcsosságától). A megfigyelt értékek 1-10 kVm-1 értékek között változtak. • Felhőn belül a hidrometeorok esetében az Ekrit értékek sokkal magasabbak.
Koronakisülések fajtái • Az elektród polaritása szerint megkülönböztetünk pozitív és negatív polaritású koronát.
Pozitív és negatív korona • Pozitív korona esetén az elektród pozitív polaritású, az elektronok pedig az elektródához közelednek. • Negatív korona esetén az elektród negatív polaritású, az elektronok pedig az elektródától távolodnak.
Koronakisülés a felhőkben • Az Ekrit értéke nagyobb felhő- és csapadékelemek esetében 250-500 kVm-1. • Koronakisülések a E ≥ Ekrit esetén keletkezhetnek, és ezek villámkisülést is inicializálhatnak.
Villám és a villámlás folyamata • Villám a Földön létező kisülések közül a legintenzívebb és a legnagyobb méretű kisülés. • Gigantikus mérete és intenzitása ellenére igen gyakori. Ezért az emberek, emberiség lelki világára nagy hatást gyakorolt: alázatra és tiszteletre ösztönzött.
A villámlás folyamata • E folyamat lezajlásának sok-sok részlete a mai napig is ismeretlen. Nem csoda, hiszen a Föld egyik legextrémebb folyamatáról (cunami, vulkánkitörés, földrengés) van szó. • Hogyan zajlik? A villámlás folyamata részfolyamatokra bontható. Ezek sorrendben a következők: az előkisülés (agolul step-leader) és a főkisülés (angolul return stroke) vagy főkisülések sorozata. • Az előkisülés szaggatott, lépcsős jellegű. Az 1. főkisülést az elővillám, de az 1. főkisülést követő főkisüléseket egy „folytonos” előkisülés (angolul dart leader) előzi meg.
A villámlás folyamata A sorrend tehát • • • • • • •
lépcsős előkisülés (step leader), 1. főkisülés (return stroke), folytonos előkisülés (dart leader), 2. főkisülés (return stroke), folytonos előkisülés (dart leader), 3. főkisülés (return stroke), és így tovább az utolsó főkisülés lezajlásáig (a megfigyelések szerint akár 20 főkisülés is lehet, de általában 3-4 körül szokott lenni)
Elővillám • A lépcsős előkisülés (elővillám) inicializálásának folyamata a mai napig is ismeretlen. • Egyik ismert elmélet Alex Gurevich (1992) elmélete, mely a kozmikus sugárzásnak tulajdonít nagy szerepet.
Elővillám • Az előkisülés szaggatott mind időben, mind térben. Szökellésekben halad előre, azaz hosszabodik a vezetési csatorna. • A felhőben kialakulva lefelé halad a legkisebb elektromos ellenállás irányába, kb. 10-100 m-es lépésekben. Ezeket 1-2 μs alatt teszi meg, így sebessége kb. 105 ms-1. A lépések között 10-50 μs-os szünetek vannak. Kihangsúlyozandó, hogy az előkisülés csatornájában a plazmát a hidrometeorokról „begyüjtött” töltött részecskék alkotják. • A földfelszín közelében a lefelé tartó előkisülés egy felfelé tartó előkisülést hoz létre. Legvégül ők egyesülnek létrehozva egy folytonos kisülési csatornát.
Elővillám
• Az elővillám szerepe tehát a hidrometeorokon levő töltött részecskék begyüjtése és áthelyezése az előbbiek során leírt vezetési csatorna falára.
Fővillám • A fővillám nem más, mint előkisülés csatornájában levő töltéseknek a semlegesítése vagy elszállítása (pl. a földfelszínre). • Az előkisülést követő 1. kisülést főkisülésnek nevezzük. Ez a legnagyobb áramú és fényintenzitású kisülés.
Fővillám • A főkisülés után további többszörös kisülések következnek, és ezek együttese alkotja a fővillámot. A kisülések közötti időtartam rövid (20-100 ms), de nem annyira, hogy a szem ezt valamelyest ne érzékelné sorozatos villanásokként (angolul ezt flash-nek mondják). • Ne felejtsük el, hogy a fővillámot alkotó többszörös kisüléseket a „folytonos” előkisülés (dart leader) előzi meg. A folytonos előkisülések előtt azonban egy felhőn belüli töltésátrendeződés zajlik le a kisülési csatorna tájékán, amit „J” és „K” folyamatoknak nevezünk.
Fővillám • • • •
A fővillám sebessége 108 ms-1. Maximális áramerősség 10-30 kA. Töltésmennyiség 2-5 C. A töltésáramlás időtartama 40-70 ms.
• • • •
Belső hőmérséklet 30 000 K (2cm-en belül). Összenergia 109 - 1010 J (300 - 3000 kWh). A villámcsatorna hossza 5 km. Észlelhető átmérő 15 cm.
A villámok osztályozása: Föld- és felhővillámok • A villámok több szempontból csoportosíthatók, osztályozhatók. • Aszerint, hogy mi között jön létre a kisülés, megkülönböztetünk földvillámokat (cloudto-ground lightning (CG)) és felhővillámokat (cloud-to-cloud lightning (CC))
Földvillám
• Az elővillám a felhőből a földfelszín irányába tartott. (95%)
Földvillám
• Az elővillám a földfelszíntől a felhő irányába tartott. (5%)
Felhővillám
• felhőn belül, • felhő és felhő között, • felhő és felhőn kívüli „légtér” között
Felhővillám • lehet kifejezetten szétágazó, szerteszétterülő alakzatú, ezt angolul „spider”-nek mondják.
Pozitív és negatív polaritású villámok
• Aszerint, hogy a felhő a katód, vagy az anód szerepét tölti be, megkülönböztetünk negatív és pozitív polaritású villámokat.
Pozitív és negatív polaritású villámok • Aszerint, hogy a földfelszín irányába szállított töltés polaritása milyen, megkülönböztetünk szintén pozitív és negatív polaritású villámokat.
A villámkisülés folyamatának típusa • A villámlás folyamatának lejátszódása szerint Mazur és Ruhnke (1993) négy különböző típusú villámot különböztet meg. • E klasszifikációban fontos szerepet játszik a villám polaritása, valamint az elő- és a fővillám (a fővillámot ellenkisülésnek is szokták mondani) fogalma.
Mazur és Rhunke klasszifikációja
• Amit szemlélünk: a polaritás, valamint az elő- és a fővillám iránya. • Berger (1977), Mazur és Rhunke (1993).
Mennydörgés • A villámlás mennydörgést okoz. A mennydörgésnek van hallható és nem-hallható része. • A mennydörgés hallható részét mennydörgésnek nevezzük. Ezt a fővillám kialakulásával kapcsolatos melegedés (a fővillám csatornájában a hőmérséklet 20 000 K körüli, a levegő pedig plazma állapotban van) okozza. • A mennydörgés nem-hallható részét (20 Hz-nél kisebb frekvenciájú rész) infraszónikus mennydörgésnek nevezzük. Ezt a villámlás során működő elektrosztatikus erők hozzák létre.
Lökéshullám • A mennydörgés megértése végett írjuk le a villámlás lejátszódása után bekövetkező folyamatokat! • A fővillám kialakulása rövidebb ideig tart, mint 10 μs. Az 1-2 cm vastagságú csatornában óriási a nyomás és a fényesség. A nagy nyomás hatására lökéshullám keletkezik, melynek sebessége kb. 10-szer nagyobb, mint a hangsebesség (≈ 3·103 ms-1). A lökéshullám termodinamikai energiájának forrása nyílván a plazmában levő elektromos és mágneses energia.
Lökéshullám szakaszai Few (1969, 1982) szerint a mennydörgés folyamata 3 szakaszra osztható: • az erős lökéshullámos szakaszra, • a gyenge lökéshullámos szakaszra és • a hanghullámos szakaszra. • Az erős és a gyenge lökéshullám közötti átmenetet szimulációs eredményei alapján definiálta viszonyítva a lökéshullám hordozta maximális nyomást az 1 atm referencianyomáshoz képest.
Lökéshullám • A lökéshullám terjedve munkát végez, ezért gyengül, csökken terjedési sebessége és a benne levő nyomás értéke is. E gyengülés révén jelentéktelen perturbációvá (lineáris perturbációs elmélet), majd hanghullámmá alakul. E hanghullám létrejöttét mennydörgésként észleljük.
A kisülési csatorna hűlése • A lökéshullám terjedésével egyidejűleg hűl a kisülési csatorna is. A hűlést a kisugárzás és a hőelvezetés okozza. A hűlés eredményeképpen a kisülési csatornában levő levegő elveszíti elektromos vezetőképességét. Ez kb. 50 ms után következik be, amikor a levegő hőmérséklete kb. 2000-4000 K-re süllyed.
A mennydörgés terjedése • A lökéshullámból keletkező hanghullám a kb. 1 km-es szakasz megtétele során igen jelentősen gyengül a súrlódás, a hővezetés és a molekuláris abszorpció miatt. Ezek közül a tényezők közül a molekuláris abszorpció a legfontosabb. • Ezen kívül gyengülést okoznak még a turbulens örvények és a felhőkben levő hidrometeorok.
A mennydörgés terjedése • A mennydörgés terjedésével kapcsolatban igen fontos jelenség még a refrakció. A refrakció meghatározza azt a maximális távolságot, ahol a mennydörgés még hallható. • A mérések szerint (pl. De L’Isle, 1783; Veenema, 1920) e maximális távolság átlagosan 25 km körül van.
A mennydörgés karakterisztikái a) lecsapó, b) felhő villám (~ horiz. kiterjedés)
• Érdemes szemlélni a mennydörgések spektrumát! Ez alapján mondhatjuk: ahány villám, annyi mennydörgés. Durranás: nagy amplitudó, morajlás: kis amplitudó
A mennydörgés karakterisztikái • A mennydörgés morajló hangját a villámcsatorna makro- és mezoskálájú tortuozitása okozza! • A mennydörgés azonban nemcsak a villámlás folyamatától függ! A mennydörgés nagy-nagy mértékben függ a megfigyelő villámlás helyszínéhez viszonyított térbeli helyzetétől is.
A mennydörgés karakterisztikái • A mennydörgésnek van kezdete és vége, azaz érzékelhetően meghatározott időtartammal rendelkező folyamat. • A menydörgés kezdete a villám hozzánk viszonyított legközelebbi, míg a vége a hozzánk viszonyított legtávolabbi részéből származik. • Nyilvánvaló, hogy a villám e két „pontja” közötti távolság, amit – első közelítésben – a villámcsatorna hosszaként értelmezhetünk, a mennydörgés időtartamából becsülhető.
Villámláskarakterisztika: a villámcsatorna hossza
• A villámcsatorna hossza (km) ≈ a mennydörgés időtartama (s) · a mennydörgés sebessége (~0,33 kms-1)
Villámláskarakterisztika: a villámcsatorna tőlünk vett távolsága • A villámlás tőlünk vett távolsága becsülhető, ha mérjük a villámlás és a mennydörgés közötti időtartamot. • A villámcsatorna tőlünk vett távolsága (km) ≈ a villámlás és a mennydörgés közötti időtartam (s) · a mennydörgés sebessége (~0,33 kms-1)
Elhanyagolások a villámláskarakterisztikák becslésében • E becslésekben persze vannak elhanyagolások. Így pl. e becslésekben nem vettük számításba azt a tényt, hogy a mennydörgés lökéshullámmal kezdődik. • Ez nem okoz „nagy” hibát, mert a lökéshullám terjedési sebessége sokkal nagyobb, mint a hanghullámé, és a lecsengése is gyors, amiért a kiindulási helyétől nem messze hanghullámmá alakul.
A villámlás elektromágneses tere • A villámlás során nemcsak hanghullámok, hanem elektromágneses (em) hullámok is keletkeznek. Az emittált em hullámok hullámhossza a rádióhullámok hullámhossz tartományába esnek.
A villámlás elektromágneses tere • Terjedésük során keveset gyengülnek (számukra a légkör igen jó áteresztő közeg) és igen jó visszaverődnek mind a talajfelszínről, mind az ionoszféráról. Ezért e hullámok esetében a talajfelszín és az ionoszféra közötti tartomány gyakorlatilag egy hullámvezető tartomány. • Egy alapvető kérdés: hogyan becsülhető ezen em hullám(ok) tere, azaz az elektromos térerősség (E) és a mágneses indukció (B) vektora, a hullámvezető tartomány egy tetszőleges M pontjában?
A villámlás rezgő dipólussal való közelítése • A villámlás – a kisülési csatorna szabálytalan formája ellenére – egy antennának tekinthető elsősorban a benne folyó áram erősségének gyors változásai miatt. • Ez az antenna ugyanakkor rezgő dipólusként (egyik legegyszerűbb típusa a Hertz-féle dipólus) fogható fel és közelíthető. • A villámlás em terének meghatározását tehát a Hertz-féle dipólus em terének meghatározására vezetjük vissza!
A rezgő dipólus modellje • A dipólust dipólus momentumával (p) jellemezzük:
p el • Mivel rezgő dipólusról van szó, a p időbeli változása harmonikus függvénnyel közelíthető:
it p(t ) p0 e
Hertz-vektor, skalár- és vektorpotenciálok • Az em teret, azaz az E és a B vektorokat, általában skalár (φ) és vektorpotenciáljaik (A) segítségével szoktuk leírni. • A rezgő dipólus esetében a φ-t és az A-t az ún. Hertz-vektor függvényében fejezzük ki. Alakja:
r p(t ) 1 c Z (r , t ) . 4 r
Hertz-vektor, skalár- és vektorpotenciálok • A Hertz-vektor kielégíti a hullámegyenletet, 2 azaz 1 Z Z
c
2
t
2
0.
• Írjuk fel most a φ és az A kifejezéseit! r 1 p (t c ) 1 1 div divZ , 0 r 0 4 r p ( t ) 1 Z c A 0 . 0 t 4 r t
Hertz-vektor, skalár- és vektorpotenciálok • A bevezetett konstansok értékei és egymás közötti kapcsolatai:
0 8,854 1012 F m 1 , 0 4 107 H m 1 , 1 c , 0 0 c 2,998 108 ms 1 .
Hertz-vektor és az elektromos térerősség vektora • Fejezzük ki az E-t a φ és az A függvényében! 2 A 1 Z E grad grad divZ 0 2 . t 0 t • Mivel
rot rot Z grad div Z Z , 2 1 1 Z E rot rot Z Z 0 2 . 0 0 t
Hertz-vektor és az elektromos térerősség vektora • További átrendezések alapján
1 1 1 Z E rot rot Z [ Z 2 2 ]. 0 0 c t 2
• Mivel a Z kielégíti a hullámegyenletet
1 E rot rot Z .
0
Hertz-vektor és a mágneses indukció vektora • Fejezzük ki most a B-t az A vektorpotenciál függvényében!
Z Z B rotA rot[ 0 ] 0 rot 0 rotZ . t t t • Látható, hogy mind az E, mind a B mező meghatározását a Hertz-vektor rotációjának meghatározására vezettük vissza.
A Hertz-vektor rotációjának meghatározása • A rotZ meghatározása során azt tételezzük fel, hogy a p dipólus momentum vektorának iránya változatlan marad a térben (a kisülési csatorna iránya nem módosul), valamint szférikus koordináta rendszerben fogunk szemlélődni.
A B mágneses indukció vektor szférikus koordináta rendszerben • Ha a p iránya állandó a térben, akkor kifejezhető mint
p p0 f (t ) .
• Ez alapján
Z p0 (r , t ) ahol r f (t ) c . (r , t ) 4 r
A B mágneses indukció vektor szférikus koordináta rendszerben • Így
rot[(r, t ) p0 ] (r, t ) rotp0 grad(r, t ) p0 . • Mivel rotp0 0 , rotZ grad (r , t ) p0 ( r0 p0 ) , r 1 rotZ (r p0 ) . r r
A B mágneses indukció vektor szférikus koordináta rendszerben • A mellékelt ábráról viszont láthatjuk, hogy (r p0 ) r (r p0 ) 0 , (r p0 ) r p0 sin .
A B mágneses indukció vektor szférikus koordináta rendszerben • Így
(rotZ ) r (rotZ ) 0 , Z (rotZ ) p0 sin sin . r r
• Mindezek alapján Br 0 (rotZ ) r 0 , t B 0 (rotZ ) 0 , t 2Z B 0 (rotZ ) 0 sin . t tr
Az E elektromos térerősség vektor szférikus koordináta rendszerben • Mivel
1 E rot rot Z
0
• nyílván még egyszer szükséges a rotáció operátorának (nabla vektoriális) alkalmazása. A rotA vektor (A egy tetszőleges vektor) r, θ és φ komponensei a következőképpen írhatók fel:
A rotA vektor r, θ és φ komponensei (rotA) r
A 1 1 (sin A ) , r sin r sin 1 Ar 1 (rotA) (r A ) , r sin r r 1 1 Ar (rotA) (r A ) . r r r
Az E elektromos térerősség vektor r komponense • Az előbbiek alapján 1 1 1 Er (rot rot Z ) r { [sin (rotZ ) ] 0 0 r sin 1 (rotZ ) } , r sin 1 1 Z Er [sin ( sin ) ]. 0 r sin r
Az E elektromos térerősség vektor θ és φ komponensei • Hasonlóképpen
(rot Z ) r 1 1 1 E (rot rot Z ) { 0 r sin 0 1 [r (rot Z ) ]}, r r Z 1 sin Z 1 1 (r ) és E { [r ( sin ) ]} 0 r r r r 0 r r E 0 .
A B és az E vektorok viszonya • Mivel a B-nek Bφ komponense van, az E-nek pedig Er és Eθ komponense, nyilvánvaló, hogy az E és a B vektorok egymásra merőlegesek. • A B a szélességi kör, míg az E a meridián mentén hat.
A Bφ, az Er és az Eθ komponensek • A levezetésünk azonban még nem kész! Ehhez a Z különböző deriváltjait kell meghatároznunk. r i ( t ) c
1 e Z (r , t ) p0 4 r
r i ( t ) c
Z 1 e p0 r 4 r2 1 i ( )Z . r c
, r i ( t ) c
1 e p0 4 r
i ( ) c
A Bφ, az Er és az Eθ komponensek • Továbbá Z ir i ir Z (r ) [(1 ) Z ] Z (1 ) r r r c c c r i ir 1 i Z (1 ) ( ) Z c c r c i 1 i i i 2 Z ( ) Z [ ( ) r] Z c r c c c 1 i 2 ( 2 r) Z . r c c
A Bφ, az Er és az Eθ komponensek • És legvégül
Z 1 i 1 i Z ( ) [( ) Z ] ( ) t r t r c r c t 1 i i 2 ( ) i Z ( ) Z r c r c 2 i ( )Z . c r
A Bφ, az Er és az Eθ komponensek • Ezeket behelyetesítve a Bφ-be, az Er-be és az Eθ-ba:
1 i B 0 sin i ( ) Z , r c 1 1 i Er 2 cos ( 2 ) Z , 0 r cr 1 i E sin ( 2 2 )Z . 0 r cr c 1
2
A Bφ, az Er és az Eθ komponensek • A B és az E komponensek változása függ a zárójelben levő tagok egymás közötti viszonyától. E viszony egyszerűen becsülhető az (ω/c) és az (1/r) tagok aránya alapján. Fejezzük ki ezért ezt az arányt!
r 2 r 2 r r c 2 . 1 c c c T r
A Bφ, az Er és az Eθ komponensek • Ha tehát χ<<1 akkor 2π·r<<λ. Nyilvánvaló az is, hogy ha e feltétel érvényes, akkor a rezgő dipólus közelében vagyunk. • Fordítva, ha χ>>1 akkor 2π·r >> λ. E feltétel érvényesülése azt is jelenti, hogy a rezgő dipólustól távol vagyunk. • Vizsgáljuk meg mind a két esetet!
Tér a dipólus közelében: közeli sugárzási zóna • Ekkor
• Így
r (t ) t , c 1 e it Z (r , t ) p0 . 4 r i i 1 p(t ) B 0 sin Z 0 sin r r 4 r 0 sin p(t ) 2 . 4 r t
Tér a dipólus közelében: közeli sugárzási zóna • Továbbá 1
1 1 1 1 p(t ) Er 2 cos 2 Z 2 cos 2 0 r 0 r 4 r 2 cos p(t ) , 3 4 0 r 1
1 1 sin 1 p(t ) E sin 2 Z 2 0 r 0 r 4 r 1
sin 3 p(t ) . 4 0 r 1
Tér a dipólus közelében: közeli sugárzási zóna
• A rezgő dipólus közelében a B az (1/r2)-el, míg az E az (1/r3)-el arányosan csökken az r növekedésével.
Tér a dipólustól távol: távoli sugárzási zóna • E tartományt hullámzónának nevezzük. Itt r p(t ) i i 1 c B 0 sin i Z 0 sin i c c 4 r r 2 p(t ) 0 sin c . 2 4c r t Er 0 ,
r r 2 p(t ) p(t ) 2 1 1 1 sin c c . E 2 sin 2 2 0 c 4 r 40c r t
Tér a dipólustól távol: távoli sugárzási zóna • Mivel
0 0 0 1 , 3 4c 4c 0 4c 0 r p(t ) 1 sin c , B 40c 3 r t 2 2
r p(t ) 1 sin c . E 40c 2 r t 2 2
Tér a dipólustól távol: távoli sugárzási zóna • Látható, hogy r p(t ) 1 1 sin c , B E c 40 c 3 r t 2 r 2 p(t ) c r 0 2 1 t B , 3 40 c r E c ( B r0 ) . 2
Tér a dipólustól távol: távoli sugárzási zóna • A hullámzónában tehát a B és az E vektorok az (1/r)-el arányosan csökkennek az r növekedésével. • A B és az E vektorok egymásra és az r-re is merőlegesek. A B a szélességi körökre, míg az E a meridiánokra érintőleges.
Schumann rezonancia • Azt már említettük, hogy a villámlás során kibocsátott em hullámok keveset gyengülnek (számukra a légkör igen jó áteresztő közeg) és igen jó visszaverődnek mind a talajfelszínről, mind az ionoszféráról. • Ezért e hullámok esetében a talajfelszín és az ionoszféra közötti tartomány gyakorlatilag egy hullámvezető tartomány. • E hullámvezető tartomány üregrezonátorként [üregrezonátor egy olyan térrész, melyben a hullámmozgás állóhullámokat (azonos frekvenciájú és amplitúdójú, ellentétes irányú síkhullámok találkozásakor jönnek létre) is kialakíthat] is viselkedik.
Schumann rezonancia • A kérdés tehát az, hogy a hullámvezetőből mikor lesz üregrezonátor? • Ez alapvetően a hullámvezető méreteinek (hossza (k), magassága (h)) és az emittált em hullámok hullámhosszának (λ) arányától függ. Ha a hullámok közül adódik olyan hullám is, melynél az k/λ arány egész szám, akkor nagy valószínűséggel kialakul az üregrezonátor. • A Schumann rezonancia a Föld kerületével (k) összemérhető arányban álló kvázisztatikus állóhullámok interferencia jelensége.
Schumann rezonancia • Az állóhullám saját magával történő együttrezgése a hullám intenzitását is megnöveli. Ezt nevezzük Schumann rezonanciának. • Az az em hullám, amelynek hullámhossza (λ) megegyezik a Föld kerületével (k) 7,8 Hz körüli frekvenciájú (ν). Ez nyilvánvalóan a Schumann rezonancia alapfrekvenciája.
Schumann rezonancia • Az alapfrekvencia változásai
Schumann rezonancia • A ν egész számú többszörösei esetén szintén tapasztalható intenzitás növekedés. A karakterisztikus frekvenciák tehát 7, 14, 20, 26, 33, 39 és 45 Hz körüliek.
Schumann rezonancia
• A rezonancia intenzitása a karakterisztikus frekvenciák függvényében.
Schumann rezonancia • Az előbbi jelenség megálmodója, azaz elméleti előrejelzője Schumann volt 1952ben. • A jelenséget kísérletileg is igazolták Schumann és König 1954-ben. • Manapság a jelenség mérése igen népszerű lett a globális hatások (pl. klímaváltozás) vizsgálata céljából. • Hazai kutatója: Sátori Gabriella
Schumann rezonancia
• Egy Schumann rezonancia vevő, Negev sivatag, Izrael.
Villámklimatológia • Másodpercenként 40-50 darab villám világszerte az 1000 db állandóan fennálló zivatarból. • Túlnyomórészt szárazföldek felett vannak. • Területi sűrűség: 20-30 darab · km-2·év-1 a trópusokban, 1-4 darab · km-2·év-1 közepes szélességeken
Villámklimatológia
• Havi összegek évi menete
Villámklimatológia
• Perces összegek napi menete
Villámklimatológia
• A havi összegek nagyon jó korrelálnak a nedves hőmérséklettel
Villámklimatológia
• A havi összegek évi menete nagyon jó korrelál a nedves hőmérséklet évi menetével
Villámsűrűség Európa felett • 1-7 km-2 • észak-déli gradiens • maximum az Alpok peremén, Olaszországban és az Adrián • a mérési tartományon kívül kevés adat • ez csak 1 év!
Globális villámeloszlás
Globális villámeloszlás (NASA műholdas megfigyelések 1996-2000) • 50 villám másodpercenként (1000 db aktív zivatarban) • Maximum a trópusi területek felett
Villámklimatológia
• Földrajzi szélesség szerinti eloszlás
Villámklimatológia
• Az IC-CG villámok aránya (egy modellszimuláció)
Villámlás és az éghajlatváltozás
• Villámlás gyakorisági anomália és a hőmérsékleti anomália kapcsolata
Schumann rezonancia és az éghajlatváltozás • Hőmérsékleti anomália és Schumann rezonancia intenzitás (Kingston Rhode Inland, (71 ºW, 41 ºN))
Schumann rezonancia és az éghajlatváltozás • Hőmérsékleti anomália és Schumann rezonancia intenzitás
Schumann rezonancia és éghajlatváltozás
• SR és ionoszféra potenciál
Irodalom • 1. MacGorman, D.R., and Rust, W.D., 1998: The electrical nature of storms. Oxford University Press, New York, Oxford, 422 pp. • 2. Budó, Á., 1972: Kisérleti fizika II., Tankönyvkiadó, 395 pp.
