Villám

A villám nagy energiájú, természetes légköri elektromos kisülés. Keletkezhet felhő–föld és felhő–felhő között is. Áramerőssége általában 20-30 000 amper, de kivételes esetben meghaladhatja a 300 000 ampert is.

Óránként több százezer villámcsapás történik a Föld felszínén. Egyes adatok szerint a Magyarországon évente a földet ért villámcsapások átlagos gyakorisága km²-ként kettő.

Elektromos gázkisülés

Villámok gyakorisága dátum alapján (lent).
Sötétkék: a legkevesebb, vörös: a legtöbb.

A villám keletkezése

A villám egyfajta elektromos gázkisülés, ami felhőn belül, felhők között, vagy a talaj és felhők között jön létre. Többnyire elágazásos szerkezetű, de van felületi villám is, amely a felhők felületén keletkezik. Ritkább jelenség az egyenes villám és a gömbvillám. E két utóbbira nincs általánosan elfogadott tudományos magyarázat. Az egyenes villám jellemzője, amiről a nevét is kapta az, hogy a vonala nélkülözi a villámokra általában jellemző elágazásokat (a villám vonala valójában nem egyenes, hanem íves is lehet). Az egyenes villám hurkot is leírhat.

A villám keletkezésének pontos folyamata még tudományos viták tárgya, de elfogadott magyarázat, hogy a villám kialakulása a felhők vízcseppjeinek, jégkristályainak súrlódására, széttöredezésére vezethető vissza, aminek következtében az elektromos töltések szétválnak a felhőn belül. A felhő felső felén a pozitív, alul a negatív töltések halmozódnak fel.

A víz légkörben való körforgása során a nedvesség felhővé áll össze. A felhőt sok millió, apró vízcsepp alkotja, ugyanakkor jégkristályokat is tartalmaz, ezek súlya egyelőre annyira kicsi, hogy a levegőben lebegnek. A földfelszín felőli párolgás felfelé mozgatja az apró vízcseppeket, amik útjuk során összeütköznek más hasonló vízcseppekkel, jégkristályokkal, vagy a lefelé hulló hópelyhekkel. Az apró ütközések következtében a felfelé haladó nedvességben elektronhiány lép fel, így elektromos töltésszétválasztás jön létre a felhőn belül. Az elektronok a felhő alsóbb területén halmozódnak fel, ami így elektromosan negatív töltésű lesz.

Az ütközéseken felül a megfagyásnak is fontos szerepe van. Ahogy a felfelé szálló nedvesség a felhő felsőbb részében hidegebb levegővel találkozik, elkezd megfagyni, tömege növekedni kezd, ezért lefelé hullik és közben negatív töltésűvé válik, a még nem fagyott, felfelé haladó nedvesség pedig pozitív töltésű lesz.

A töltésszétválasztás elektromos teret hoz létre, ami az elhelyezkedő töltéseknek megfelelően alul negatív, felül pozitív irányultságú. Az elektromos tér erőssége a felhalmozott elektromos töltésekkel arányos. Ahogy ennek az erőtérnek az erőssége egyre növekszik, a földfelszínben lévő negatív töltésekre taszító erőt gyakorol, így azok a földben mélyebbre süllyednek. A földfelszín ennek hatására pozitív töltésű lesz.

Amikor az elektromos tér erőssége eléri a több tízezer Volt / centiméter értéket, az elektromos töltésekre ható vonzóerő miatt a töltések a levegő molekuláiban is kezdenek szétválni, a felhő alja a közelében lévő pozitív töltésű levegőmolekulákra vonzóerőt gyakorol, így azok felfelé, a felhő alja felé mozdulnak el. A töltések szétválását a levegőben ionizációnak nevezik. Az ionizált levegő (más néven: hideg plazma) elektromos vezetőképessége sokkal jobb, mint a nem-ionizált (de egyéb tulajdonságaiban azonos) levegőé. (gyakran az elektromosan jól vezető fémeket is úgy jellemzik, mint pozitív atommagokat, amiket könnyen mozgó elektronfelhő vesz körül). Az elektronok kis tömegük miatt könnyen elmozdulnak, és áramlásuk elnevezése: elektromos áram. A levegő ionizációs folyamata során vékony, hosszabb-rövidebb járatok alakulnak ki a felhő és a földfelszín között, amikben az elektronok mozogni tudnak.

A villám nem egy lépésben csap le, mivel ezek a hosszabb-rövidebb vezető szakaszok nem egyszerre alakulnak ki, hanem fokozatosan. A járatok általában nem pontosan a felhő és a föld közötti legrövidebb egyenesen keletkeznek, hanem ezek jellemzően cikk-cakk alakban haladnak. Ez amiatt van, mert az ionizáció mértékét befolyásolja a levegőben található apró porszemcsék elhelyezkedése, amik elősegítik az ionizációt. Így az elektromosan vezető csatorna abban az irányban alakul ki, ahol a jobban vezető szakasz megtalálható. A már kialakult apró vezető szakasz elősegíti további vezető szakaszok kialakulását, mivel a töltések a vezető szakaszban annak végéig el tudnak mozdulni, tehát módosítják a korábban kialakult elektromos teret, vagyis az erőviszonyokat.

A földfelületről, főként a kiemelkedő, hegyes részekből is megindul (kis lépésekben) a pozitív előjelű elektromosság cikkcakkos áramlása a felhő felé, de azt sohasem éri el. A föld felől kiinduló áramlás jellegzetessége a lilás, rózsaszínes fény (ami persze csak nagysebességű kamera felvételén észlelhető). A felhőből kiinduló nyúlvány általában fehér színű.

Az elektromosan vezető csatornák kialakulási folyamatának végén a felhő és a földfelszín összekapcsolódik egy vagy több, elektromosan vezető csatornán keresztül, amin először egy gyengébb „elővillám” fut végig, majd egy vagy több erősebb töltésáramlás megy végbe, gyakran ugyanazon a csatornán, hiszen abban a pillanatban azon a legkisebb az elektromos ellenállás.

Amikor a kétféle töltés találkozik, a töltések kiegyenlítődnek. A folyamat során a villámban haladó elektromos áram erősen felhevíti a levegőt, ami hirtelen kitágul, majd összeomlik. Ez erős fénnyel és hangrobbanással, azaz nagy robajjal jár. Ugyanazon az ionizált légcsatornán több villám is áthalad (akár 30-40), ezért a szemtanú számára úgy tűnhet, hogy a fő villámcsapás hosszabb ideig tartott, mint az azt megelőző gyengébb villanások. Ezt az illúziót erősíti, hogy a többszöri villámlással járó morajlások egybeolvadnak.

A kisülésben szállított töltésmennyiség mindössze 1-2 coulomb, az átlagosan 0,2 s-ig tartó kisülési időtartam alatt 30-40 000 amperes áramerősség lép fel. A villám sebessége 180 km/s (egy 18 km magasságban lévő felhőtől a földig a kész villám 0,1 másodperc alatt végighalad, alacsonyabb felhő esetén az idő még rövidebb). A hőmérséklet elérheti a 30 000 kelvint. A villámok 75%-a felhőn belül zajlik le. A villám fénye látható- és UV-fényből áll.

Ha a villám homokos talajba csap, üvegszerű anyag keletkezik, aminek a neve fulgurit.

A villámok fajtái

Majdnem egy időben lecsapó villámok (Nagyvárad, Románia)

Szárazvillám által okozott bozóttűz (Nevada, USA, 2011)

A zivatarokban vagy a szupercellában vihar alkalmával többféle elektromos kisülés megfigyelhető.

• Felhő és föld közötti (lásd a leírást fentebb)
• Föld és felhő közötti (ez többnyire a földfelszínből kiemelkedő, hosszú, elektromosan jól földelt objektumból indul el)
• Felhőn belüli vagy felhők közötti, amit emiatt felhővillámnak is neveznek - Működési mechanizmusa hasonló a felhő és föld közötti villáméhoz, csak éppen felhőn belül jön létre. Fénye emiatt kevésbé éles és nem vonalszerű, hanem a felhőt belülről világítja meg, fénye emiatt nagyobb felületre kiterjedő, elmosódott.

Megkülönböztetjük továbbá a „szárazvillám” és „nyári villám” jelenségeket is. A köznyelv a „szárazvillám” kifejezéssel jelzi, ha villámláskor nem esik az eső, azaz a felhőből hulló csapadék nem éri el a talajt. A „nyári villám” a szemlélőtől annyira távol látható, hogy onnan hanghatás nem, vagy csak gyengén érkezik. A távoli helyen ilyenkor általában esik az eső, de azt az észlelő nem érzékeli.

A „szárazvillám” veszélyessége abban áll, hogy nem jár a talajra hulló csapadékkal, ezért könnyen bozóttüzeket okoz (ez különösen Észak-Amerikai nyugati területeire jellemző). A „szárazvillám”-ok megjelenését ezért külön figyelik az USA-ban.

A mennydörgés oka

A villám erősen felhevíti a levegőt (a Nap felszínének hőmérsékletére), amely hirtelen kitágul és összeütközik a környező légtömegekkel, ez hangrobbanást okoz, ami nagy robajjal jár. A hosszabban hallható dörej több villám következtében alakul ki, amik sűrűn követik egymást.

A villámlás és dörgés időbeni eltérésének oka

A fény és a hang terjedési sebessége különböző. Ugyanazt a távolságot a fény sokkal gyorsabban teszi meg, ezért látjuk először a villámlást és csak utána halljuk a dörgést.

A villámlás távolsága

Mivel a fénysebesség sokszorosan felülmúlja a hang terjedési sebességét, ezért mindenféle eszköz nélkül is meg tudjuk állapítani a villámlás távolságát.

A villám megpillantásakor 21-től egyesével elkezdünk számolni: 21, 22, 23, ... Ha mondjuk a dörgést „23”-nál halljuk, a hangnak 3 másodperc kellett az út megtételéhez. A másodperceket elosztjuk 3-mal, így közelítőleg megkapjuk a távolságot km-ben.

Villámcsapás elleni védekezés

Villám csap az Eiffel-toronyba (1902)

Villámcsapás ellen nincs igazi védekezés, azonban a károkat és a sérüléseket előre tervezéssel és odafigyeléssel jelentősen csökkenteni lehet.

Villámcsapás zivatar előtt is lehetséges, ezért vegyük komoly figyelmeztető jelnek a sötét és magas viharfelhőket vagy az erősödő szelet. A villámcsapások 10%-a verőfényes, kék égbolt mellett következik be, a zivatarfelhőtől akár 15 km távolságban.

Ha a villámlás után 30 másodpercen belül meghalljuk a dörgést, azonnal keressünk menedéket. Évente mintegy 2000 embert ér villámcsapás, ezeknek 25-33%-a halálos.

Épületek védelme

A villámok elleni védekezés érdekében Benjamin Franklin feltalálta a villámhárítót. Ez egy, az épületek tetején elhelyezett és földelt fémrúd, amely az épület környezetében felhalmozódó elektromos töltéseket a villámhárítón keresztül elvezeti, illetve becsapódó villám esetén annak áramát a talajba vezeti, így az épületet megóvja a villámcsapás közvetlen károsító hatásaitól.

A villám azonban akkor is okozhat károkat, ha villámhárítóba csap. A villámhárítóban folyó nagy áramerősség hatására háromféle úton terjedhet tovább a villám hatása.

1. Konduktív csatolással: A földelt fémvezetéken végigfolyó, illetve a földben szétterjedő áram hatására megemelkedik a villámhárító és annak környékének potenciálja a távolabbi „föld” pontokhoz képest. Ez túlfeszültséghez vezet, ami átívelhet szigetelt vagy máshol földelt tárgyakhoz. Mivel a feszültségemelkedés mértéke $U=I_{v}R_{f}$ ($I_{v}$ a villám áramerőssége, $R_{f}$ az úgynevezett földelési ellenállás), fontos a villámhárítók (és egyéb, villámcsapásnak kitett fémtárgyak) megfelelő földelése. 100 kA-es áramcsúcs és 2 Ω-os földelési ellenállás esetén 200 kV adódik, ami elegendő kb. 10 cm levegő átütéséhez.
2. Induktív csatolással: A villámhárítóban folyó áram mágneses tere feszültséget indukálhat a közelben található, attól független vezetőhurkokban is. Többszintes épület esetén az adatátviteli és villamos hálózatok és antennák rendszerében könnyen indukálódhatnak hatalmas túlfeszültségek. Egy villámvédelmi méretezésekben használt átlagos áramfelfutási értékkel, 100 kA/μs-mal számolva egy, a villámhárítótól fél méterre (falvastagság) elhelyezkedő, 10 m élhosszúságú négyzetben 620 kV is indukálódhat.
3. Kapacitív csatolással: A villámhárító és a hozzá kapcsolódó vezetők, vezetékek mint egyik fegyverzet és a környezetben található fémtárgyak, más vezetékek mint másik fegyverzet közötti kapacitás (szórt kapacitás) miatt a villámhárító potenciáljának megugrása a másik fegyverzet ellentétes irányú feltöltődéséhez vezet. Ez nagy áramerősségekkel és feszültségszintekkel járhat.

Emberek a szabadban

Viharos időben nagy a villámcsapás veszélye horgászás, csónakázás, úszás (és egyéb, természetben végzett vízisport), továbbá kempingezés közben.

Szabadban végzett tevékenységünket az aktuális időjárás-jelentés ismeretében tervezzük meg úgy, hogy villámlás esetén vissza tudjunk vonulni egy közeli épületbe vagy egy teljesen zárt, felül is fémmel borított gépjárműbe. A járművön belül is maradjunk távol a fémes részektől (pl. ne fogjuk a kormányt).

Zivatar idején lehetőség szerint kerüljük a kiemelkedő tárgyak (oszlop, torony, fák, elektromos távvezeték), barlangbejáratok, nyitott térségek, illetve vízfelületek közelségét. Magashegyi túránál keressünk törmelékes kőzettel borított helyet magunknak, üljünk le, zárjuk össze lábainkat és tegyük a fülünkre a kezünket (ezzel csökkentjük a halláskárosodás veszélyét).

Közvetlenül a villámcsapás előtt sercegést vagy recsegést lehet hallani, és bőrünkön felállhat a szőr vagy bizsergést érzünk rajta. Ha ilyenkor csoportban vagyunk, szóródjunk szét, és guggoljunk le úgy, hogy az egyes emberek között legyen 4-5 méter távolság. Ilyenkor, ha az egyik csoporttagot villámcsapás éri, a többiek segíteni tudnak rajta.

Emberek épületen belül

Maradjunk távol a vízvezetékektől, ajtótól, ablakoktól, ne használjuk a vezetékes telefont, a kézmosót, a zuhanyzót, a fürdőkádat. Kapcsoljuk ki az összes elektromos készüléket, húzzuk ki a konnektorból és az antennacsatlakozóból a zsinórokat, és ezektől is maradjunk távol. Az utolsó, hallható villámcsapás után még várjunk 30 percet, és csak aztán folytassuk normál tevékenységünket. Érdemes túlfeszültségvédelemmel ellátott konnektort használni, mert ha nem is a közeli vezetékrendszerbe csap a villám, lehet akkora pillanatnyi feszültségemelkedés, ami tönkreteheti az elektronikus készülékeket.

Villámcsapás és a repülőgép

Érdekesség, hogy a statisztikák szerint minden rendszeres kereskedelmi járatot évente átlagosan egyszer villámcsapás ér (van, amelyiket többször is, és van, amelyiket egyáltalán nem). Az ilyen esetek többnyire csak ijedelmet okoznak a gép fedélzetén, mivel a repülőgépek többségének teste az elektromosan jól vezető alumíniumból vagy fémötvözetekből készül, ez pedig megvédi a gép berendezéseit, illetve a gép utasait a közvetlen villámcsapástól (Faraday-kalitka elve). A gép érzékeny elektromos berendezései túlfeszültség ellen védve vannak. Vigyázni kell azonban, ha a gépből való kiszálláskor villámlik, ekkor ugyanis a gép által biztosított védelmet már nem élvezzük.

Élettani hatás

Villámcsapás esetén az áramütés csak 10-20%-ban halálos, ha van a közelben életmentésre alkalmas személy, aki azonnal beavatkozik. Csonttöréssel csak akkor kell számolni, ha az áldozat leesett valahonnan, azonban szinte mindenkinél egyensúlyi, hallás- és látászavarok lépnek fel, mert az erős fény- és hanghatás (tartósan is) károsíthatja az érzékszerveket. Az érzékcsalódások akár órákig is eltarthatnak. A villámcsapás ún. áramjegyet hagy maga után: az áram ki- és belépési helyén világos színű, faág alakú bőrelhalás marad, ún. Lichtenberg-féle ábra. Ezt ugyanúgy kell kezelni, mint más égést.

Ha a villámcsapást szenvedett áldozat magánál van, és környezete újabb villámcsapás szempontjából nagy kockázatot jelent, kísérjük vagy szállítsuk kisebb kockázatot jelentő helyre. Az esetek többségében sem hallani, sem látni nem fog minket, ezért oda kell mennünk hozzá, és kézen fogva vezetnünk kell. Az áramütött személy nem hordoz elektromos töltést, így nyugodtan megfoghatjuk puszta kézzel.

Ha az áldozat nincs magánál, nem lélegzik, és értünk hozzá, azonnal kezdjük meg az életmentést, a szájból orrba való lélegeztetést.

Ellenőrizzük a pulzusát a nyaki ütőérnél legalább 20 másodpercig, és ha nem észlelünk pulzust, a lélegeztetéssel felváltva mellkaskompressziót (a köznyelv ezt szívmasszázsként ismeri) is kell alkalmaznunk, amely esetben a mellkasra mért pumpáló mozdulatok folytonosságán és ritmusosságán van a hangsúly. Ha az áldozat a nedves földön fekszik, helyezzünk alá valamilyen védőréteget, ami elszigeteli a talajtól, hogy csökkentsük a kihűlés veszélyét. Ha a pulzus visszatér, de az áldozat még nincs magánál, folytassuk a lélegeztetést, amíg az újra meg nem indul. Az újraélesztést az eredeti helyszínen kezdjük meg, és csak utána szállítsuk, ha a pulzusa és a légzése helyreállt.

Tartós élettani hatások

Krónikus fájdalmak, egyensúlyi és memóriazavarok, a személyiség megváltozása, hirtelen hangulatváltozások léphetnek fel. A villámcsapás áldozata más embernek érzi magát, elidegenedik a környezetétől és a családjától.

Hatások a légkörre

Légkörkutató kémikusokból és villámkutatókból álló csoport megállapította, hogy a villámok és a kamerával vagy szabad szemmel nem látható, láthatatlan kisülések rendkívüli mennyiségű hidroxil gyököt - OH - és hidroperoxil gyököt - HO2 - termelnek.

A hidroxilgyök fontos a légkörben, mert kémiai reakciókat indít el, és olyan molekulákat bont le, mint az üvegházhatású metán. Az OH a légkör számos összetételbeli változásának fő mozgatórugója.

Villám és antianyag

A nagyenergiájú gamma-kitörések vizsgálatára üzembe állított Fermi gammasugár teleszkóp 14 hónapos működése során 2009-ben 17 alkalommal észlelte, hogy földi villámlás során nem csak elektronok, hanem pozitronok is keletkeztek (amik az elektronok antianyag-megfelelői). Az észlelést a World Wide Lightning Location Network is megerősítette.

A bejelentés nem teljesen új, mivel hasonló energiájú gamma-kitöréseket már az 1990-es évek elején is észlelt a NASA Compton űrtávcső műholdja.

Gamma-kitörések

A legtöbb zivatar során gamma-kitörések keletkeznek, még a gyenge viharok esetén is. Ezt a jelenséget első ízben a NASA Compton Gamma-Ray Observatory gammasugár-vizsgáló műholdja észlelte 1992-ben. A gamma-kitörés ideje általában rövidebb mint egy ezredmásodperc. A zivatarokban részt vevő felhők elektromos töltéssel rendelkeznek, általában a felhő alja negatív, a teteje pozitív töltéssel. Megfelelő körülmények esetén a felhőn belüli villámlás áttöri a felhő elektromos terét, és felfelé elektronok áramlata indul meg nagy sebességgel, amik ütköznek a levegő molekuláival, így gamma-sugárzás jön létre. Az elektronok kitörése eddigi ismereteink szerint 11-14 km magasságban történik.

Téves hiedelmek

• Nem igaz, hogy „a villám kétszer nem csap le ugyanarra a helyre”. Az Empire State Building épületbe egy alkalommal 15 percen belül 15 alkalommal csapott bele a villám.

Források

• A villám. Móricz Zsigmond Gimnázium Közgazdasági Szakközépiskola, és Kollégium, moricz-kujsz.sulinet.hu (Öveges József: Kis Fizika II., Fizikai Kislexikon, Lukács-Péter-Tarján: Tarkabarka Fizika alapján). [2003. június 25-i dátummal az eredetiből archiválva].
• Bazelkilan, E.M.: Lightning Physics and Lightning Protection, Iop Publishing, Philadelphia, PA, 2000.
• Franz, R.C., R.J. Nemzek, and J.R. Winckler: Television Image of a Large Upward Electrical Discharge Above a Thunderstorm System, Science, 48 (July 6, 1990).
• Horváth, T.: Understanding Lightning and Lightning Protection: A Multimedia Teaching Guide, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, NJ, 2006.
• Marks, J.A., Ed.: Electrical Systems, Electric Power Research Institute, Palo Alto, CA, 1985. http://www.epri.com/
• Ohkubo, A., H. Fukunishi, Y. Takahashi, and T. Adachi: VLF/ELF Sferic Evidence for in-cloud Discharge Activity Producing Sprites, Geophys. Res. Lett., 32, 2005.
• Orville, R.E. and G.G. Lala: Daylight Time-Resolved Photographs of Lightning, Science, 201, 59–61 (1978).
• Rycroft, M.J., M. Fallekrug, and E.A. Mareev: Sprites, Elves and Intense Lightning Discharges, Springer-Verlag New York, LLC, New York, NY, 2006.
• Tahiliani, V.: Metal Oxide Surge Arresters for Gas-Insulated Systems, Electric Power Research Institute, Palo Alto, CA, 1983.
• Uman, M.A.: The Lightning Discharge, Academic Press, San Diego, CA, 1987.
• Uman, M.A. and E.P. Krider: Natural and Artificially Initiated Lightning, Science, 457 (October 27, 1989).
• Waterbury, R.C.: Safir Forecasts Lightning Strikes, Instrumentation Technology, 72 (July, 1990).
• howstuffworks.com: How Lightning Works

További információk

A Wikimédia Commons tartalmaz Villám témájú médiaállományokat.

• Villám.lap.hu – Linkgyűjtemény
• NAGYFESZ: A villám
• Ruzicska Péter: A villám
• Egy 737-es sztatikus feltöltődést levezető csúcsai
• Hol csap le a legtöbb villám Magyarországon? – Origo, 2011. május 25.
• Tóth Z., Szedenik N.: Biztonságos nyaralás villámok között – Elektrotechnika, 2019 / 6

(angolul):

• World Wide Lightning Location Network
• Lightning and Atmospheric Electricity Research at the GHCC
• Langmuir Laboratory for Atmospheric Research
• Sonnenfeld: Atmospheric Electricity Studies
• The New Mexico Tech 3D Lightning Mapping Array
• National Lightning Safety Institute
• Villám linkgyűjtemény
• NASA Fact Sheet Lightning
• Questions and Answers about Lightning
• Scientific American: Sprites and Elves
• physicsworld.com: Lightning creates radioactive isotopes - 2017-11-22