 |
|
|
|
Tutkimus | Millainen ilmakehä on | Sähkö ja salamat - Ilmasähkö
Perustietoa ilmasähköstä ja 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. Vaikka otsikossa on ilmasähkö ja ukkonen mainittu erikseen, korostettakoon, että ukkonen on osa ilmasähköä. Tässä luodaan aluksi katsaus ilmasähköön yleensä ja sen jälkeen erityisesti ukkoseen.
Ilmasähköllä tarkoitetaan ilmiöitä, jotka liittyvät sähkövarausten erottumiseen ionosfäärin alapuolisessa ilmakehässä (n. 100 km korkeuden alapuolella). Ionosfäärissä ja magnetosfäärissä esiintyy voimakkaita, Maan ja Auringon vuorovaikutuksesta suoraan riippuvia sähkövirtoja; alemmassa ilmakehässä on paljon heikompi maapallonlaajuinen ns. globaali virtapiiri, jota ylläpitää ukkostoiminta. 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.
Sähkövarautuneiden hiukkasten liikkuvuus riippuu jyrkästi niiden koosta ja väliaineen tiheydestä. Pienionien liikkuvuus alailmakehässä vastaa noin 1 cm/s (loppu)nopeutta 100 V/m sähkökentässä. Pölyhiukkaset ovat muutaman kertaluvun verran hidasliikkeisempiä, joten ilmakehän sähkönjohtavuus on käytännössä pienionien ansiota. Stratosfäärissä ja mesosfäärissä (10 - 90 km) ilma harvenee ja avaruussäteily voimistuu niin, että johtavuus kasvaa korkeuden suhteen eksponentiaalisesti: kun ilman sähkönjohtavuus maanpinnan lähellä on luokkaa 20 fS/m (femtosiemensiä/metri), ionosfäärissä johtavuus on jo yhtä hyvä kuin maaperässä. (Ionosfäärissä sähkönjohtavuus tulee myös anisotrooppiseksi: Maan magneettikenttä alkaa vaikuttaa voimakkaasti ionien liikkeisiin.)
Ukkospilveen kertyvät, kymmenien coulombien suuruiset 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. Eksponentiaalisesti kasvavan johtavuuden ansiosta 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). Ohmin lain mukaisesti 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.
Ionitasapainoa maanpinnan lähellä voidaan yksinkertaisimmin kuvata yhtälöllä
q = an2 + bnN
jossa q on ionisaatio, n on pienionien tiheys (kummankin merkkisten erikseen, oletetaan yhtä suuriksi), N on aerosolitiheys ja a ja b ovat rekombinaatiokertoimia, jotka kuvaavat ionien neutraloitumista toistensa tai pölyhiukkasten kanssa. a ja b ovat molemmat n. 1.6x10-12 m3s-1. Ionisaatio Etelä-Suomessa on noin 6.6x106 ioniparia m-3s-1, josta viides-kuudesosa johtuu radioaktiivisuudesta. Pienionitiheydet ovat molemmat suunnilleen 5x108 m-3 ja aerosolitiheys yli kymmenkertainen, liki 1010 m-3.
Huomattakoon, että käsitys "likaisuus lisää sähkönjohtavuutta" pätee pinnoille, esim. sähköeristeille, mutta ilmalle asia on päinvastoin: likainen (pölypitoinen) ilma johtaa huonommin. Tosin jos "lika" on radioaktiivista saastetta, lisääntynyt ionisaatio kasvattaa sähkönjohtavuutta. Näin kävi toukokuussa 1986, kun Tshernobyl-päästön jodipilvi saapui Etelä-Suomeen: sähkönjohtavuus kasvoi 10-kertaiseksi, mutta palautui alemmaksi muutamassa päivässä, koska radioaktiivisen jodin puoliintumisaika on 8 vrk.
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 arvellaan seuraavanlaiseksi.
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.
Kun kasvavan kuuropilpilven huippu saavuttaa korkeuden, jossa lämpötila on noin -25 astetta (4-7 km), tämän alapuolelle noin -15 asteen lämpötilaan muodostuu pieniä, huurtumalla kasvavia lumirakeita, joita nousuvirtaus kannattelee. Virtauksen mukana lentää ylös pieniä jääkiteitä, jotka törmäilevät lumirakeisiin. Törmäyksessä lumirae varautuu negatiivisella, jääkide positiivisella sähköllä (varauksen siirtymisen mikroskooppinen mekanismi on vielä epäselvä). Jos törmäily tapahtuu korkeammassa lämpötilassa (alemmassa korkeudessa), merkit vaihtuvat. Kertyvien varausalueiden aiheuttama sähkökenttä todennäköisesti tehostaa vielä varausten siirtymistä törmäyksissä.
Jääkiteet antavat pilven yläosalle huntumaisen, alasimen kaltaisen muodon. Alasin on siis ukkospilven positiivinen päävarausalue, ja litteämpi lumiraekerros pilven keskellä on negatiivinen päävarausalue. Alaosaan syntyy vielä pienempi positiivinen alue. Laajoissa ukkospilvimuodostelmissa, joissa nousuvirtausalueita (soluja) on vieri vieressä, voi varausrakenne olla paljon mutkikkaampi.
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) siitä 100-200 km päässä, jossa muodostuu rintaman suuntainen ns. matalan pintasola.
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. 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. Ukkossolua (tai yhdellä paikalla koettua ukkosta) voi sanoa heikoksi, jos siinä esiintyy alle 10 maasalamaa. Kohtalaisessa ukkosessa maasalamoiden määrä on 10-100, ja yli 100 salaman ukkosta voi luonnehtia kovaksi. Pilvisalamoiden takia leiskunta on runsaampaa kuin maasalamoiden määrä.
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 kymmenien miljoonien volttien luokkaa, ja paikallisesti sähkökenttä nousee arvoon 400-500 kV/m (tämä on "vallitseva" eli makroskooppinen arvo; esim. pisaran pinnalla sen kaarevuuden takia kenttä on vielä paljon voimakkaampi).
Purkaus alkaa, todennäköisesti kentässä pitkulaiseksi venyvän pisaran avulla, kaksisuuntaisena soihtupurkauksena (engl. streamer). Purkauskanavan kokonaisvaraus pysyy nollana. Ilmassa tapahtuu koko ajan jonkin verran avaruussäteilyn synnyttämää ionisaatiota, jossa elektroni irtoaa kaasumolekyylistä. Elektroni tarttuu melkein heti toiseen molekyyliin, mutta jos sähkökenttä on tarpeeksi voimakas, elektroni ehtii vapaan matkansa aikana kiihtyä niin paljon, että törmäys molekyyliin irrottaa tästä uusia elektroneja, joiden määrä näin kasvaa vyörynä. Ilma kuumenee niin, että purkauskanavassa elektronit pysyvät vapaina ja johtavat tehokkaasti sähköä. Elektronit liikkuvat kohti kanavan negatiivista päätä, joka kasvaa positiivista varauskeskusta kohti. Kärjestä syöksyy elektroneja ulos kanavasta ionisoiden uutta ilmaa, mutta kärjessä myös sähkökenttä heikkenee (voimaviivat harvenevat viuhkamaisesti) ja tästä syystä kärki kasvaa hitaasti, askeltaen.
Kanavan toisessa (positiivisessa) päässä siihen syöksyy ilmasta juuri irronneita elektroneja, jotka vielä kiihtyvät tihenevässä sähkökentässä, joten kanava kasvaa nopeasti ja jatkuvasti, ilman askellusta. Kun soihtupurkauskanava kasvaa niin paljon, että siinä kulkeva virta saa sen hehkumaan ja pitenemään nopeasti, kyse on esisalamakanavasta (engl. leader; yleisemmin esipurkauskanava).
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 rekyylipurkauksia esiintyy peräkkäin kymmenkunta, ja pilvisalaman kesto on puolisen sekuntia.
Negatiivisessa maasalamassa valmisteleva soihtupurkaus alkaa negatiivisen varauskeskuksen alapuolelta, sen ja alemman positiivisen varauksen välistä, ehkä siellä leijuvista sadepisaroista. Esisalaman 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 vasta(esi)salama, joka tavoittaa esisalaman kärjen ja täydentää sähköä johtavan kanavan pilven ja maan välillä.
Esisalaman varaus on varastoitunut poikittaisiin koronapurkaussäikeisiin, jotka ovat himmeitä; vain kanavan ydin on kirkkaampi. Heti kun askeltava ja vastaesisalama ovat yhtyneet, esisalaman koronasäikeistä syöksyy elektroneja kohti maata, ensin alaosasta ja sitten yhä korkeammalta. Sähkövirta on niin voimakas (1-100 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 (0,1 sekunnin sisällä), 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. Tämä on mahdollista myöhemminkin kuin 0,1 sekunnin kuluttua, jos edellisen pääsalaman jälkeen kanavassa on kulkenut heikompaa ns. jatkuvaa virtaa (100 A luokkaa) estäen sitä sammumasta. Jos taas kanavan alapää on ehtinyt sammua, nuoliesisalama muuttuu sammuneeseen osaan törmätessään askeltavaksi esisalamaksi, joka elvyttää kanavan alaosan uudestaan tai raivaa maahan päin kokonaan uuden haaran.
Suomessa puolet negatiivisista maasalamoista käsittää vain yhden esisalama-pääsalamaparin eli (osa)iskun (engl. stroke). Suunnilleen neljäsosa koostuu kahdesta iskusta, kahdeksasosa kolmesta iskusta jne, ja keskimäärin salamassa on kaksi iskua. Salamanpaikannin havaitsee toisinaan jopa 15-iskuisia salamoita.
(Engl. salama = flash; lightning tarkoittaa salamointia tai salamaa ilmiönä.) Iskujen lukumäärää salamassa sanotaan sen kerrannaisuudeksi. Puolet moni-iskuisista negatiivisista maasalamoista, eli neljäsosa kaikista negatiivisista maasalamoista, haarukoituu eli lyö maassa kahteen tai useampaan kohtaan, joiden välimatka voi olla jopa useita kilometrejä. Vahinkotapausten kannalta voi olla tärkeätä tietää kaikkien iskujen osumakohdat eikä vain "salaman" (ensimmäisen iskun) kohdetta. Nykyaikainen salamanpaikannin määrittääkin iskut erikseen.
Positiivinen maasalama saa alkunsa nimensä mukaisesti pilven positiivisesta varausalueesta (tai sen läheltä), lähinnä pilven alasimesta. Koska maahan tuleva esisalama on nyt esipurkauskanavan positiivinen pää, se etenee noin kymmenen kertaa nopeammin kuin negatiivinen esisalama, jatkuvasti (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.
Maasalama voi saada alkunsa myös alhaalta ylös etenevänä esisalamana, esim. korkean maston huipusta. Suunta nähdään kanavan haarojen suunnasta. Negatiivista varauskeskusta kohti lähtee nyt positiivinen esisalama (kuten vastasalama). Pääsalamaa vastaavassa vaiheessa esisalamakanavan loppupään haaroihin virtaa elektroneja negatiivisesta varauskeskuksesta. Toistaiseksi ei ole selvää, muistuuttaako koko tapahtuma enemmän pilvi- vai maasalamaa, mutta neutralointi- eli pääsalamavaihe saattaa tässä olla tehottomampi kuin alas lyövässä "tavallisessa" maasalamassa.
Suomessa salamoista on pilvisalamoita arviolta 2/3 (tropiikissa enemmän), ja maasalamoista 15 % on positiivisia (kovissa ukkosissa vähemmän, heikoissa enemmän).
Muut linkit:
Tietoja kansainvälisestä ilmasähkötutkimuksesta (mukaan lukien salamatutkimus) löytyy osoitteesta Atmospheric Electricity HomePage, jossa on myös mm. viittaus kattavaan englanninkieliseen ilmasähkösanastoon. Sen pohjalta mutta vahvasti muokaten on laadittu myös suomenkielinen ilmasähkösanasto.
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).
Risto Pirjola & Tapio J. Tuomi: Ukkonen sähköilmiönä. Arkhimedes 32, 114-122, 1980.
Tapio J. Tuomi: Ten year summary 1977-1986 of atmospheric electricity measured at Helsinki-Vantaa Airport, Finland. Geophysica 25 (1&2), 1-20, 1989.
Sivun alkuun Takaisin etusivulle
|
|