Perustietoa ukkosesta

Ilmasähkö jakautuu kahteen pääalueeseen, hyvän sään ja huonon sään ilmasähköön. Jälkimmäisellä tarkoitetaan ukkosiin liittyviä ilmiöitä, kuten salamoita. Hyvän sään ilmasähkö on kauempana käytännön elämästä ja siksi vähemmän tunnettua.

Ukkospilvi on kuuropilven kehittyneempi muoto, jossa sähköistyminen lopulta purkautuu salamoina. Sähköistymisellä tarkoitetaan tapahtumaa, jossa erilaiset hiukkaset varautuvat erimerkkisellä sähköllä ja kertyvät pilven eri kohtiin. Tapoja on monia, mutta luultavasti tehokkain, salamointiin johtava on seuraavanlainen.

Kuuropilvi syntyy, kun ilman lämpötilan pystyjakautuma on tarpeeksi epävakaa (lämmintä alhaalla, kylmää ylhäällä), jolloin nousuvirtaukset kuljettavat kosteutta ylös. Kosteuden tiivistyminen pilvipisaroiksi edistää vielä virtauksen voimaa.

Kuuro- ja ukkossolun kehityskaari. (a) nousuvirtaukset kasvattavat pilveä (kumpupilvivaihe), (b) pilvi kasvaa ja laskuvirtausalue muodostuu (kypsä vaihe), (c) pilven kasvu tyrehtyy (häviämisvaihe), (d) kolmen solun (numerot 1-3) käsittävän ukkospilven elinkaari ja salamoinnin kehittyminen.

Kun kasvavan kuuropilpilven huippu saavuttaa korkeuden, jossa lämpötila on noin -25 astetta (4-7 km), tämän alapuolelle noin -15 asteen lämpötilan korkeudelle muodostuu pieniä, huurtumalla kasvavia lumirakeita, joita nousuvirtaus kannattelee. Pilveä kasvattava voimakas nousivirtaus kuljettaa ylöspäin pieniä jääkiteitä, jotka törmäilevät lumirakeisiin. Törmäyksessä lumirae varautuu negatiivisella, jääkide positiivisella sähköllä. Törmäävien hiukkasten kokoeron takia kevyemmät jääkiteet kulkeutuvat pilven yläosiin, jonne muodostuu positiivinen varauskeskus; raskaammat lumirakeet jäävät nousuvirtauksen kannattelemiksi pilven alempiin osiin muodostaen negatiivisen keskuksen. Kertyvien varausalueiden aiheuttama sähkökenttä todennäköisesti tehostaa vielä varausten siirtymistä törmäyksissä. Laajoissa ukkospilvimuodostelmissa, joissa nousuvirtausalueita on vieri vieressä, voi varausrakenne olla paljon mutkikkaampi.

Ukkosten lajit

Selvimmin erottuvat yksittäiset ukkospilvet esiintyvät ns. ilmamassaukkosissa. Nimitys johtuu siitä, että maanpinnalla vallitsee ukkosen jälkeen sama ilmamassa kuin sitä ennen. Nousuvirtaukset voi laukaista Auringon lämmitys maanpinnan tuntumassa erityisesti iltapäivällä (lämpöukkonen lämpimässä ilmamassassa tai polaariukkonen viileässä ilmamassassa), mahdollisesti nousevan maaston edistämänä (esim. Salpausselkä), tai esim. kylmän ilman "pisaran" virtaaminen lämpimän ja kostean pintailman yläpuolelle. Monissa tapauksissa rajuja ilmamassaukkosia esiintyy kylmän rintaman etupuolella (tavallisesti itäpuolella).

Rintamaukkosissa nousuvirtausten pääasiallinen käyttövoima tulee ilmamassojen eroista. Suomen oloissa rintamia muodostuu, kun pohjoisen kylmä, kuiva ja etelän lämmin, kostea ilmamassa joutuvat kosketuksiin. Massat virtaavat keskimäärin lännestä itään, ja virtauksessa massojen rajapinta, rintama, muodostaa mutkia, joihin kehittyy matalapaineita. Lämpimässä rintamassa lämmin ilmamassa nousee kylmän päälle, kylmässä rintamassa kylmä ilmamassa kiilautuu lämpimän alle. Kylmä rintama etenee nopeammin ja saavuttaa lämmintä, jolloin niiden välinen ns. lämmin sektori kuroutuu kiinni ja rintamat sulautuvat ns. okluusiorintamaksi, joka sitten häviää matalapaineen täyttyessä.

Voimakkaimmat ukkoset esiintyvät kylmässä rintamassa matalapaineen lähellä, jossa rintaman liike on poikittaista ja nopeaa. Kauempana matalapaineesta rintaman liike on pitkittäisempää ja ukkoset ovat heikompia. Ilmamassaukkosia esiintyy eniten lämpimässä sektorissa. Kun matalapaineiden reitti on sellainen, että lämpimän sektorin ilma kiertyy Suomeen Itä-Euroopan kautta, ovat edellytykset suotuisimmat voimakkaille rintama- ja ilmamassaukkosille, koska ilmamassassa on hyvin usein paljon lämpöä ja kosteutta. Suoraan lounaasta tulevat matalapaineet aiheuttavat yleensä vähemmän voimakkaita ukkosia.

Rintamaukkosissa salamat muodostavat tyypillisesti jonoja, joiden leveys on aluksi 10-20 km ja suurenee hieman viuhkamaisesti. Pituus voi olla satoja kilometrejä. Ilmamassaukkosissa, joissa massa ei ole nopeassa liikkeessä, salamat muodostavat rykelmiä, joiden halkaisija on yleensä 10-40 km. Tällaisen solun tai vastaavan kokoisen jononpätkän elinaika on puolesta kahteen tuntiin. Hyvin voimakkaissa, yleensä kaakosta saapuvissa helteisissä ukkosissa voi muodostua suurempia alueita, joiden elinaika on useita tunteja.

Salaman vaiheet ja lajit

Kun pilven varausalueisiin on kertynyt tarpeeksi varausta (puhutaan kymmenistä tai sadoista coulombeista), ilman sähkölujuus pettää ja alkaa syntyä purkauksia. Jännite pilven keskusten välillä, tai niiden ja maan välillä, on silloin sadan miljoonan voltin luokkaa, ja paikallisesti sähkökenttä nousee arvoon 400-500 kilovolttia/m.

Purkaus alkaa, todennäköisesti kentässä pitkulaiseksi venyvän pisaran avulla, kaksisuuntaisena soihtupurkauksena (engl. streamer). Pilvisalamassa esipurkaus alkaa varausten välisestä alueesta kasvaen alaspäin positiivisena kohti negatiivista aluetta ja ylöspäin negatiivisena kohti positiivista aluetta. Kun alempi pää on löytänyt tarpeeksi negatiivista varausta, tätä syöksyy kanavaan ja edelleen sen yläpäähän neutraloimaan positiivista aluetta; näitä nopeita purkauksia esiintyy peräkkäin kymmenkunta, ja pilvisalaman kesto on puolisen sekuntia.

Negatiivisen maasalaman vaiheet.

Negatiivisessa maasalamassa purkaus alkaa negatiivisen varauskeskuksen alapuolelta, sen ja alemman positiivisen varauksen välistä. Esisalaman (A) positiivinen pää etenee ylös negatiiviseen varausalueeseen ja jatkaa siinä vaakasuorina haaroina. Negatiivinen pää etenee askeltaen ja haaroittuen askeltavana esisalamana (engl. stepped leader) kohti maata, jossa on pilven kohdalla kauempaa kertynyttä positiivista varausta (elektronien vajausta). Kun jokin esisalaman haaroista ehtii noin 100 metrin päähän maasta tai maassa olevasta rakennuksesta, tästä nousee positiivinen vastaesisalama (B), joka tavoittaa esisalaman kärjen ja täydentää sähköä johtavan kanavan pilven ja maan välillä (C). Näin on muodostunut ns. salamakanava pilven ja maan välille (D).

Negatiivisen maasalaman vaiheet.

Esisalaman varaus on varastoitunut poikittaisiin purkaussäikeisiin, jotka ovat himmeitä; vain kanavan ydin on kirkkaampi. Heti kun askeltava ja vastaesisalama ovat yhtyneet, esisalaman säikeistä syöksyy elektroneja kohti maata, ensin alaosasta ja sitten yhä korkeammalta. Sähkövirta on niin voimakas (1-200 kA), että kanavan ytimen lämpötila nousee 20 000 - 30 000 asteeseen. Ytimen kuumeneminen ja kirkastuminen etenee ylöspäin noin 1/3 valon nopeudella (100 000 km/s). Tätä nopeata ja kirkasta aaltoa sanotaan pääsalamaksi (engl. return stroke). Sen loppuvaiheessa kanavan yläpään positiiviset haarat etenevät yhä syvemmälle negatiiviseen varausalueeseen. Jos uutta varausta löytyy tarpeeksi ja kyllin nopeasti, kanavaan syöksyy uusi annos elektroneja, tällä kertaa nopeana, nuolimaisena valaisevana pätkänä (nuoliesisalama, engl. dart leader), joka varaa kanavaa uudestaan. Jos kanava on pysynyt maahan saakka kuumana ja sähköä johtavana, nuoliesisalama etenee alas asti ja sitä seuraa heti uusi ylöspäin etenevä pääsalama. Jos kanavan alaosa on ehtinyt sammua, nuoliesisalama muuttuu sammuneeseen osaan törmätessään askeltavaksi esisalamaksi, joka elvyttää kanavan alaosan uudestaan tai raivaa maahan päin kokonaan uuden haaran. Yhden salaman iskut voivat siten iskeä eri kohtiin eli haarukoitua.

Suomessa puolet negatiivisista maasalamoista käsittää vain yhden esisalama-pääsalamaparin eli osaiskun (engl. stroke). Suunnilleen neljäsosa koostuu kahdesta iskusta, kahdeksasosa kolmesta iskusta jne, ja keskimäärin salamassa on kaksi iskua. Joskus havaitaan jopa 15-iskuisia salamoita. Iskujen lukumäärää salamassa sanotaan sen kerrannaisuudeksi. Puolet moni-iskuisista negatiivisista maasalamoista, haarukoituu eli lyö maassa kahteen tai useampaan kohtaan, joiden välimatka voi olla jopa useita kilometrejä.

Positiivinen maasalama saa alkunsa nimensä mukaisesti pilven positiivisesta varausalueesta (tai sen läheltä), lähinnä pilven alasimesta. Positiivinen maasalama etenee noin kymmenen kertaa nopeammin kuin negatiivinen esisalama, askeltamatta ja vähemmän haaroittuen. Kanavan negatiivinen yläpää on paljon tehottomampi etsimään uutta varausta, joten ensimmäinen pääsalama jää yleensä myös ainoaksi. Positiivisista maasalamoista 90 % onkin yksi-iskuisia. Positiivisten salamoiden osuus on suurin ukkosen lopulla, kun negatiivinen varauskeskus on pääosin ehtynyt (sekä negatiivisen salamoinnin että satamisen ansiosta) ja positiivinen "näkee" maan paremmin.

Suomessa salamoista on pilvisalamoita arviolta 2/3 (tropiikissa enemmän), ja maasalamoista 15 % on positiivisia (kovissa ukkosissa vähemmän, heikoissa enemmän).

Hyvän ja huonon sään sähköä

Sähkövarausten erottumista tapahtuu kolmella eri tavalla:

- termodynaamisesti:

Ukkospilvessä pienten jääkiteiden ja huurtumalla kasvavien lumirakeiden törmäyksissä jääkiteet varautuvat positiivisiksi, lumirakeet negatiivisiksi (katso tuonnempana).
Ukkospilven nousuvirtaukset (konvektio) kuljettavat jääkiteet huippuun, painavammat lumirakeet jäävät keskivaiheille: syntyy makroskooppinen dipolirakenne.

- säteilyionisaatiossa:

Kosminen ja radioaktiivinen säteily ionisoivat ilmaa, johon syntyy yhtä suuret määrät molekyylikokoa olevia positiivisia ja negatiivisia pienioneja, jotka tekevät ilman (heikosti) sähköä johtavaksi. Pienionit tarttuvat myös ilmassa leijuvaan pölyyn (aerosoliin), joka näin säätelee pienionien määrää.

- törmäysionisaatiossa:

Salamat ja muut ukkospilven aiheuttamat purkaukset ionisoivat ilmaa hetkellisesti sähköä johtaviksi purkauskanaviksi.

Ukkospilveen kertyvät varauskeskukset purkautuvat pääasiassa salamoina: pilvisalamat (joita on eniten) neutraloivat niitä keskenään; alempi negatiivinen keskus purkautuu myös maahan negatiivisina salamoina ja samalla varaa maata (ja positiivinen keskus pienemmässä määrin). Yläosan positiiviseen keskukseen jää ylijäämävarausta, joka johtuu ympäröivään ilmaan, vajaan ampeerin virralla ukkossolua kohti. Pääosa tästä vuotovirrasta ohjautuu ionosfääriin, jossa se tasoittuu yli maapallon ja varaa yläilmakehän noin 300 kV potentiaaliin maahan nähden. Tämä ionosfääripotentiaali ylläpitää ns. hyvän sään sähkövirtaa, jonka tiheys on luokkaa 2 pA/m2 (pikoampeeria neliömetrille). Tämä ja sähkönjohtavuus synnyttävät maanpinnan lähelle 100 V/m luokkaa olevan, alaspäin suuntautuvan sähkökentän. Ukkosia ("ukonilmoja") maapallolla on joka hetki 1000-2000, joten koko virtapiirissä kulkee noin 1000 ampeeria.

Miksi (hyvän sään) ilmasähkökenttä ei aiheuta seisovalle ihmiselle 200 voltin sähköiskua? Siksi, että ihminen on käytännössä maan potentiaalissa, siis maadoitettu; huonosti johtava ilma ei pysty häntä varaamaan. Ukkospilven alla, jossa kenttä on kymmeniä kV/m, tilanne on toinen - silloin uhka on kylläkin salamanisku.

Kirjallisuutta

Tapio J. Tuomi ja Antti Mäkelä: Ukkosta ilmassa. Ursa 2009. (Perustietoa ukkosista ja muusta ilmasähköstä).

Tapio J. Tuomi: Ukkonen ja salamat. Ursa 1993. (Perustietoa ukkosista ja muusta ilmasähköstä; loppuunmyyty).