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. Tehokkain ja salamointiin johtava tapahtuma on seuraavanlainen.
Konvektio on tehokas lämpöenergian siirtymismuoto kaasussa ja nesteessä. Käytännön esimerkki konvektiosta on veden kiehuminen kattilassa: konvektio siirtää tehokkaasti lämpöä kattilan pohjalta ylöspäin, mikä näkyy ns. konvektiokuplina. Konvektiota esiintyy myös ilmakehässä.
Kuuropilvi on ns. konvektiopilvi, joka syntyy ilmakehän voimakkaiden pystysuuntaisten lämpötilaerojen johdosta. Kun lämpötilan pystyjakautuma on tarpeeksi epävakaa (lämmintä alhaalla, kylmää ylhäällä), ilmakehä pyrkii nopeasti tasapainottamaan tilansa: tällainen tilanne on tyypillinen keskikesän helteisenä päivänä auringonsäteilyn lämmittäessä maanpintaa voimakkaasti. Näin syntyy konvektiokuplia, eli voimakkaan nousuvirtauksen alueita, joissa lämpöä ja kosteutta kulkee vauhdilla ylöspäin (~10…30 m/s). Jollakin korkeudella kosteus alkaa tiivistymään vedeksi eli syntyy pilvi. Tiivistyminen vapautuu energiaa joka voimistaa nousuvirtausta edelleen ja pilvi kasvaa korkeutta.
Kun kasvavan kuuropilven 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 nousuvirtaus 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 keskivaiheille 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 säätyyppi 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.
Rintamaukkosista voimakkaimmat liittyvät yleensä kylmään rintamaan. 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 paljon lämpöä ja kosteutta. Lännestä ja lounaasta tulevat matalapaineet aiheuttavat yleensä vähemmän voimakkaita ukkosia.
Rintamaukkosissa salamat muodostavat tyypillisesti laajan rintaman, jonka leveys voi olla satoja kilometrejä. Ilmamassaukkosissa salamointi keskittyy rykelmiin, 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, jopa vuorokauden.
Salaman vaiheet ja lajit
Kun pilven varausalueisiin on kertynyt tarpeeksi varausta (puhutaan kymmenistä 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.
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 olevista kohteista, nousee näistä positiivinen vastaesisalama (B), joka tavoittaa esisalaman kärjen ja täydentää sähköä johtavan kanavan pilven ja maan välillä (C). Näin on muodostunut ns. salamakanava, ja varsinainen salamanisku esiintyy (D).
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 kanavan alaosasta ja sitten yhä korkeammalta. Sähkövirta on niin voimakas (1-200 kA), että kanavan ytimen lämpötila nousee 20 000 - 30 000 °C asteeseen. Kanavan kuumentuessa äkisti ja rajusti, syntyy iskuaalto; tämä yliääniaalto kuullaan lähellä kanavaa kovana pamauksena, mutta kauempana vaimeampana jyrinänä, joka tyypillisesti kestää useita sekunteja. Pitkä kesto johtuu siitä, että salaman ääntä ("pamausta") syntyy koko useiden kilometrien pitkän kanavan matkalta, jolloin eri kohdista kanavaa syntyneet ääniaallot tavoittavat havaitsijan eri aikoihin.
Salaman välähdys ja ääni syntyvät siis samaan aikaan. Välähdys eli valo saavuttaa havaitsijan käytännössä välittömästi suuren nopeutensa johdosta (noin 300 000 km/s). Ääneltä sen sijaan kuluu kilometrin matkalle aikaa noin 3 sekuntia. Välähdyksen ja jyrinän havaitsemisen aikaeroista voikin päätellä helposti salaman etäisyyden: 1) välähdyksestä lasketaan sekunteja kunnes jyrinä kuuluu. 2) Jaetaan saatu sekuntimäärä kolmella. 3) Saatu tulos on salaman etäisyys kilometreinä. Esimerkiksi 9 sekuntia tarkoittaa 3 km etäisyyttä.
Ytimen kuumeneminen ja kirkastuminen etenee kanavaa ylöspäin noin 1/3 valon nopeudella (100 000 km/s); liike on niin nopea, ettei silmä erota liikesuuntaa. 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, joka etenee kohti positiivista varausaluetta, 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.
Hyvän ja huonon sään sähköä
Sähkövarausten erottumista tapahtuu kolmella eri tavalla:
1. 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.
2. 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.
3. 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).