Légköri elektromosság. Ács Ferenc ELTE Földrajz- és Földtudományi Intézet Meteorológiai Tanszék

Átírás

1 Légköri elektromosság Ács Ferenc ELTE Földrajz- és Földtudományi Intézet Meteorológiai Tanszék

2 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)

3 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.

4

5 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.

6 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

7 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.

8 Magnetoszféra Föld mágneses térerőssége

9 Magnetoszféra Sarki fény (aurora borealis, aurora australis)

10 Magnetoszféra

11 Magnetoszféra

12 Magnetoszféra

13 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.

14 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 (N e ) igen változó mind térben, mind időben. E változások igen széles határok között teljesülnek.

15 Ionoszféra Az N e 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.

16 Elektrodinamikai tartomány: abszorpció az UV tartományban O, O 2 (termoszféra), O 3 (sztratoszféra), N, N 2 (termoszféra)

17 Ionoszféra Hőmérsékleti profil és az ionoszféra aljának magassága

18 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

19 Ionoszféra Az N e profilok napi változásai, pl. az átmenet a nappaliból az éjjeli időszakba szintén jelentős.

20

21 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.

22 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.

23 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!

24 A légköri elektromos áramkör A légköri elektromos áramkör müködtetői a zivatarok és a zivatarmentes területek, melyeket röviden szép idő zónának fogunk nevezni.

25 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.

26 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.

27 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!

28 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! s/ae12a.shtml. (Davis Sentman cikk)

29 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!

30 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.

31 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.

32 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 Am -2. Ha ezt az értéket beszorozzuk a földfelszín nagyságával (R 6400 km f m 2 ), megkapjuk az elektroszféra és az Föld közötti áram nagyságát, ami kb A földfelszín -1 (Amper=Coulomb s - 1 ).

33 A légköri elektromos áramkör Mivel az elektroszféra és a földfelszín közötti potenciál különbség V körülinek vehető, az ionoszféra alatti légkör átlagos elektromos ellenállása (R) 150 Ω földfelszín körül van. Számoljuk ki a felületi töltéssűrűséget! C V m E 8,8410 [ ]150[ ] 1,3 10 Cm Mivel 1e= 1, C, ez alapján látható tehát, hogy 1 m 2 felszínen megközelítően millió e van (~0, e cm -2 ). E nagy e sűrűség a negatív polaritású villámkisüléseknek köszönhető. V m 2

34

35 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).

36 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.

37 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.

38 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?

39 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.

40 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.

41 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.

42 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.

43 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.

44 Elektódréteg Numerikus szimulációk eredményei alapján ez látható is.

45 Elektródréteg Különböző hatások

46

47 Az elektroszféra potenciálja Az elektromos térerősség definiciója alapján, az elektroszféra potenciálja: E ( z) E( z) dz, ahol H E az elektroszféra magassága. A Φ E igen széles határok között ( kv) változik, átlagos értéke kv. Mivel az E rendelkezik napi menettel a Φ E -nek is van napi menete. H E 0

48 Az elektroszféra potenciálja A Φ E napi menete a szép idő zónában.

49 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 m 2 s -1 V -1 )) kicsi, míg a kis ionoké nagy. A mozgékonyság tehát az ion sebessége az egységnyi térerősségben. Így j nqk E.

50 Vezetőképesség Ez úgy is felírható mint j n E q ahol k. σ a levegő elektromos vezető képessége. A σ tehát a töltéssűrűségtől és a töltések mobilitásától (ez ion karakterisztika) függ. A felszín közvetlen közelében (E= Vm -1 ) a σ Ω -1 m -1, 40 km-es magasságban σ Ω -1 m -1, míg a ionoszférában σ 10-5 Ω -1 m -1.

51 Vezetőképesség σ profilja 30 km-ig

52 Vezetőképesség σ profilja 30 km felett

53 A légoszlop elektromos ellenállása A vezetőképesség magasság szerinti változásának ismeretében az egységnyi alapterületű légoszlop elektromos ellenállása (R c ) is becsülhető. R c H E 0 ( z) 1 dz. ( z) H E az elektroszféra (ionoszféra) magassága. Az R c fogalmának nyilván csak a szép idő zónában van értelme. Ott, ahol az elektrosztatikai megítélések alkalmazhatóak. Az R c típikus értékei Ωm 2. Ha a m 2- t átszámoljuk a Föld bolygó felszínének nagyságára, megkapjuk a Földre vonatkozó átlagos R c -t, ami 200 Ω körül van. Ezúttal persze elhanyagoltuk a konvekció elektromos vezetésre gyakorolt hatását.

54 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.

55 Az áramsűrűség változásai A j nagyságrendje Am -2, azaz pam -2. Ez az áramsűrűség a tiszta arktikus levegőben a legnagyobb (3, Am - 2 ). A kontinentális környezetben valamelyest kisebb (1, Am -2 ).

56 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.

57 A töltéssűrűség változásai A töltéssűrűség magasság szerinti változásai Gauss törvénye alapján

58

59 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 zivatar zajlik.

60 Maxwell áram Maxwell áram komponensek a zivatar alatt: J M J PD J CV J P J L J E E t, PD point discharge (pontkisülés), CV convection (konvekció), P precipitation (csapadék), L lightning (villámlás), E conduction (elektromos vezetés).

61 Maxwell áram Maxwell áram komponensek a zivatar felett J M J E E t.

62 Maxwell áram magaslégköri kisülések

63

64 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: n t i Q L div( n v). i

65 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.

66 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.

67 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/(cm 3 s)). A γ-sugárzás az első egynéhány 10 m-ben (1-6 ionpár/(cm 3 s)).

68 Ionizáció A radioaktív anyagok közül a Rn (radon) említendő meg. 220 Rn felezési ideje 54 s, míg a 222 Rn 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.

69 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!

70 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.

71 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.

72 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.

73

74 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.

75 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?

76 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.

77 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.

78 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.

79 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.

80

81 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!

82 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.

83 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.

84 Elektronfelvétel A légkör 60 km alatti tartományaiban az uralkodó folyamat a hármas ütközés. A harmadik részecske az esetek legnagyobb százalékában a kísérletek szerint- az O 2 molekula. O e K O T 2 O K. O 2

85 A legstabilabb negatív ion A légkörben a legstabilabb negatív ion az NO 2-. Egyrészt legnagyobb az elektron affinitása, másrészt nem elektronfelvétellel, hanem a következő levegőkémiai reakcióval jön létre: O NO NO O Nyilván azért, mert e reakció gyorsabb, mint az egyszerű elektron felvétel.

86 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.

87 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 km-es tartományában nappal a fotoleválás, míg éjszaka az ütközéses leválás az uralkodó folyamat.

88 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.

89 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 X - részecskére is.

90 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.

91

92 Az ionok és az aeroszolok koagulációja A folyamat egyenlet általános alakja: B 0 a A koaguláció vagy összeolvadás folyamata eltér a különböző reakció folyamatoktól pl. a sebességében. A B 0 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. C.

93

94 Töltésszállító folyamatok A töltéstranszportot meghatározza a konvekció, turbulencia valamint az ambipoláris diffúzió.

95 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!

96 Ambipoláris diffúzió Szemléljünk szabad elektronokat (e) és ionokat! Mozgásukat koncentrációjuk, valamint elektromos térerősségük (E) határozza meg. Legyen J e az e-ok, míg J i az ionok árama.., x n D E n k J x n D E n k J i i i i i e e e e e

97 Ambipoláris diffúzió Tegyük fel, hogy Ekkor ahonnan., n n n J J i e i e x n D E n k x n D E n k i i e e. n x n k k D D E e i e i

98 Ambipoláris diffúzió Az E-t behelyetesítve a J i -be Ha ezt átrendezzük. 1 x n D x n n k k D D n k J i e i e i i i., e i i e e i a a i k k D k D k D ahol x n D J

99 Ambipoláris diffúzió Mivel k e >>k i D a D i k k i e De. Ugyanakkor D k K T q, ahol K a Boltzmann állandó, T az abszolút hőmérséklet és q az ion töltése.

100 Ambipoláris diffúzió Kombinálva az előbbi egyenleteket D a D i (1 T T e i ). Látható, hogy a D a -t a D i függvényében fejeztük ki. Ugyanis az ion diffúziós együtthatója megközelítően egyenlő a semleges atom diffúziós együtthatójával.

101 Ambipoláris diffúzió A diffúziós egyenletben a D a tag szerepel, így n 2 n t D a x 2.

102

103 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?

104 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!

105 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%.

106 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.

107 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 E clear cloud E cloud

108 Screening-layer Grenet-Vonnegut modell

109 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.

110 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.

111 Különböző felhőfajták elektromos tulajdonságai

112 Különböző felhőfajták elektromos tulajdonságai

113 Különböző felhőfajták elektromos tulajdonságai

114 Különböző felhőfajták elektromos tulajdonságai A legfontosabb eredmények: Az E max növekszik haladva az St, Sc, As, Ns sor mentén. Ugyanazon felhőfajtán belül a felhővastagság növekedésével az E max is növekszik. A nyári felhők E max -ja nagyobb, mint a téli felhők E max -ja. A felhő vastagodásával az elektromos szerkezete is [E(z)] összetettebbé válik.

115 Stratus E min =-500 Vm -1, E max =1500 Vm -1, E 80% =-300 és 100 Vm -1 között volt.

116 Stratocumulus E min =-1400 Vm -1, E max =1600 Vm -1, E 80% =-400 és 200 Vm -1 között volt. Allee és Phillips (1959) mérési eredményei szerint egy kb. 7 μm-es átmérőjű cseppecske átlagban q avg 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.

117 Cirostratus E min =-2000 Vm -1, E max =900 Vm -1, E 80% =-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?

118 Altostratus E min =-6450 Vm -1, E max =1450 Vm -1, E 80% =-600 és 100 Vm -1 között volt. Itt a töltésszétválasztás és a töltések elkülönülése nyilvánvalóan még nagyobb.

119 Nimbostratus A hideg, a meleg és a vegyes halmazállapotú Ns E(z) profilja.

120 Nimbostratus E min = Vm -1, E max =12000 Vm -1, Brylev és mtsai. (1989) bevezetik az elektromosan aktív zóna (nagy elektromos térerősségű tartomány) [EAZ electrically active zone] fogalmát.

121 Nimbostratus Az EAZ-t jellemző paraméterek

122 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.

123 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)

124 Elektromos szerkezet Ugyanez a tripólus szerkezet mérések alapján a következőképpen ábrázolható.

125 Elektromos szerkezet A töltéstartományokra vonatkozó töltésmennyiség- (Q) és magasság-értékek (z) az alábbi táblázatban tekinthetők át.

126 Elektromos szerkezet De az elektromos szerkezet lehet sokkal összetettebb is. Ime egy modellszimuláció alapján kapott kép.

127 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!).

128 Általános jellemzők Az észlelt E-értékek a felszín közelében 1-10 kvm -1, a felhőalap magasságában kvm -1, míg a felhő belsejében kvm -1 értékűek. A felhőn belül észlelt maximális töltéssűrűség 10 ncm -3 ( elemi töltés cseppenként, ha cm 3 -ként 1000 cseppet veszünk). A hidrometeorokon észlelt maximális töltéssűrűség (pl. esőcsepp esetén) 200 pc, ami kb 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.

129 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!

130 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.

131 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.

132 Ütközési együttható, zúzmarásodás A zúzmarásodáskor zajló ütközések valószínűsége

133 Ütközési együttható, zúzmarásodás A zúzmarásodáskor zajló ütközések valószínűsége

134 Ütközési együttható, zúzmarásodás A zúzmarásodáskor zajló ütközések valószínűsége

135 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.

136 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.

137 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.

138 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.

139 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!

140 A vízmolekula szerkezete

141 A víz mint anyag A vízmolekulák poláros szerkezetének következményeképpen kialakulnak a vízmolekulák közötti ún. hidrogén-kötések.

142 Jég és víz fázis

143 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.

144 Jégfázis Jég: tetraéder és hexagonális szerkezetek

145 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.

146 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.

147 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?

148 A felületi feszültség szerepe E határérték a felületi feszültség és a Coulomb erő által végzett munka egyensúlyából határozható meg. 1 2 q Ray E r 1 3 1/ 2 r. ahonnan

149 A felületi feszültség szerepe A megfigyelések szerint a hidrometeorokon levő töltésmennyiség-értékek sokkal kisebbek, mint a q Ray értékek. Így, a q Ray érték csak elméleti és nem gyakorlati szempontból bír jelentőséggel! Azaz, a q Ray érték nem limitálja a hidrometeorokon levő q max maximális töltésmennyiség-értékeket sem!

150 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.

151 A mechanikai erők szerepe Nos, az előbbiekből látszik, hogy a felhőkben a töltésszétválasztást nagynagy részt a mechanikai erők szabályozzák a mikrofizikai folyamatokkal együtt.

152 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.

153 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.

154 Kölcsönhatás-típusok A kölcsönhatás jellegét alapvetően a kölcsönhatásban résztvevő részecskék nagysága határozza meg. Eszerint megkülönböztetünk ion-részecske és részecske-részecske típusú kölcsönhatásokat.

155 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.

156 Induktív mechanizmusok: ionrészecske kölcsönhatás A gyors és a lassú ion esete

157 Induktív mechanizmusok: ionrészecske kölcsönhatás Az ion felvétele, taszítása

158 Induktív mechanizmusok: részecske-részecske kölcsönhatás E kölcsönhatás során a tömegátvitel révén töltéssemlegesülés is történik.

159 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).

160 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.

161 Nem-induktív mechanizmusok A hidrometeor felszíni töltéssűrűségének polaritása és nagysága függ a fázisváltozás típusától (pl. depozició vagy kondenzáció) és a tömegnövekedés mértékétől (dm/dt).

162 Nem-induktív mechanizmusok kettős elektromos réteg A hidrometeorok felszínén (csepp/levegő; jégkristály/levegő; jégkristály/hódara; hódara/levegő) molekuláris skálán kettős elektromos réteg alakul ki.

163 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.

164 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.

165 A gaupel polaritása Sötét= kis felszíni OH - sűrűség Se nem sötét, se nem világos= közepes OH - felszíni sűrűség Világos= nagy felszíni OH - ion sűrűség

166 Jégkristály/graupel kölcsönhatás I. Általában a kicsi részecskék (nagy/nagyobb relatív depoziciós mérték) felszíni töltéssűrűsége nagyobb, mint a nagy részecskéké (kicsi/kisebb relatív depoziciós mérték). II. 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.

167 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.

168 Jégkristály/graupel kölcsönhatás E kölcsönhatás sok-sok tekintetben ismeretlen. Ezért e kölcsönhatásokat empirikusan, a környezeti állapothatározók függvényében jellemzik.

169 Jégkritály-jégkristály közötti kölcsönhatás Hőmérséklet és víztartalom

170 Graupel polaritása A graupel polaritása a hőmérséklet és a víztartalom függvényében

171 Grenet-Vonnegut mechanizmus A konvekció meghatározó szerepe, történelmi szemponból fontos

172 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.

173

174 Légköri elektromos kisülések Típusai

175 Légköri elektromos kisülések A légköri elektromos kisülések közül a legismertebbek a koronakisülés és a villámlás. Ismerkedjünk meg ezek fenomenológiai leírásával!

176 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.

177 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 (E krit ). Azaz, amikor E E krit.

178 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 E krit 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 E krit értékek sokkal magasabbak.

179 Koronakisülések fajtái Az elektród polaritása szerint megkülönböztetünk pozitív és negatív polaritású koronát.

180 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.

181 Koronakisülés a felhőkben Az E krit értéke nagyobb felhő- és csapadékelemek esetében kvm -1. Koronakisülések a E E krit esetén keletkezhetnek, és ezek villámkisülést is inicializálhatnak.

182 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.

183 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.

184 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)

185 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.

186 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 m-es lépésekben. Ezeket 1-2 μs alatt teszi meg, így sebessége kb ms -1. A lépések között 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.

187 Elővillám Az elővillám szerepe tehát a hidrometeorokon levő töltött részecskék begyüjtése és áthelyezése az előbbiek során leírt vezetési csatorna falára.

188 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.

189 Fővillám A főkisülés után további többszörös kisülések következnek, és ezek együttese alkotja a fővillámot. A kisülések közötti időtartam rövid ( 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.

190 Fővillám A fővillám sebessége 10 8 ms -1. Maximális áramerősség ka. Töltésmennyiség 2-5 C. A töltésáramlás időtartama ms. Belső hőmérséklet K Összenergia J ( kwh). A villámcsatorna hossza 5 km. Észlelhető átmérő 15 cm. (2cm-en belül).

191 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))

192 Földvillám Az elővillám a felhőből a földfelszín irányába tartott. (95%)

193 Földvillám Az elővillám a földfelszíntől a felhő irányába tartott. (5%)

194 Felhővillám felhőn belül, felhő és felhő között, felhő és felhőn kívüli légtér között

195 Felhővillám lehet kifejezetten szétágazó, szerteszétterülő alakzatú, ezt angolul spider -nek mondják.

196 Pozitív és negatív polaritású villámok Aszerint, hogy a felhő a katód, vagy az anód szerepét tölti be, megkülönböztetünk negatív és pozitív polaritású villámokat.

197 Pozitív és negatív polaritású villámok Aszerint, hogy a földfelszín irányába szállított töltés polaritása milyen, megkülönböztetünk szintén pozitív és negatív polaritású villámokat.

198 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.

199 Mazur és Rhunke klasszifikációja Amit szemlélünk: a polaritás, valamint az elő- és a fővillám iránya. Berger (1977), Mazur és Rhunke (1993).

200 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 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.

201 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 ( ms -1 ). A lökéshullám termodinamikai energiájának forrása nyílván a plazmában levő elektromos és mágneses energia.

202 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.

203 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.

204 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 K-re süllyed.

205 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.

206 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.

207 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

208 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.

209 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.

210 Villámláskarakterisztika: a villámcsatorna hossza A villámcsatorna hossza (km) a mennydörgés időtartama (s) a mennydörgés sebessége (~0,33 kms -1 )

211 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 )

212 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.

213

214 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.

215 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?

216 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!

217 A rezgő dipólus modellje A dipólust dipólus momentumával (p) jellemezzük: p el Mivel rezgő dipólusról van szó, a p időbeli változása harmonikus függvénnyel közelíthető: p( t) p 0 e it

218 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: Z( r, t) 1 4 p( t r r c ).

219 Hertz-vektor, skalár- és vektorpotenciálok A Hertz-vektor kielégíti a hullámegyenletet, azaz Írjuk fel most a φ és az A kifejezéseit! t Z c Z. ) ( 4 1, 1 ) ( t Z r c r t p t A divz r c r t p div

220 Hertz-vektor, skalár- és vektorpotenciálok A bevezetett konstansok értékei és egymás közötti kapcsolatai: 8, c c , 2, H m ms F m 1 1., 1,

221 Hertz-vektor és az elektromos térerősség vektora Fejezzük ki az E-t a φ és az A függvényében! Mivel t Z grad divz t A grad E. 1 1, t Z Z Z rot rot E Z grad divz Z rot rot

222 Hertz-vektor és az elektromos térerősség vektora További átrendezések alapján E 1 rot rot Z 1 [ Z 1 c t 2 Z ]. Mivel a Z kielégíti a hullámegyenletet E 1 0 rot rot Z.

223 Hertz-vektor és a mágneses indukció vektora Fejezzük ki most a B-t az A vektorpotenciál függvényében! B rota Z Z rot[ ] 0 rot 0 t t t rot. 0 Z Látható, hogy mind az E, mind a B mező meghatározását a Hertz-vektor rotációjának meghatározására vezettük vissza.

224 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.

225 A B mágneses indukció vektor szférikus koordináta rendszerben Ha a p iránya állandó a térben, akkor kifejezhető mint p p f ( t). 0 Ez alapján Z p 0 ( r, t) ( r, t) f ( t 4 r c r ahol ).

226 A B mágneses indukció vektor szférikus koordináta rendszerben Így rot[ ( r, t) p0] ( r, t) rotp0 grad( r, t) p0. Mivel rotp rotz 0 rotz 0, grad( r, t) 1 r ( r r p p 0 0 ). r ( r 0 p 0 ),

227 A B mágneses indukció vektor szférikus koordináta rendszerben A mellékelt ábráról viszont láthatjuk, hogy. sin ) ( 0, ) ( ) ( p r p r p r p r r

228 A B mágneses indukció vektor szférikus koordináta rendszerben Így Mindezek alapján. sin sin ) ( 0, ) ( ) ( 0 r Z p r rotz rotz Z rot r. sin ) ( 0, ) ( 0, ) ( r t Z rotz t B rotz t B rotz t B r r

229 Az E elektromos térerősség vektor szférikus koordináta rendszerben Mivel E 1 0 rot rot Z 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:

230 A rota vektor r, θ és φ komponensei. 1 ) ( 1 ) ( ), ( 1 sin 1 ) (, sin 1 ) (sin sin 1 ) ( r r r A r A r r r rota A r r r A r rota A r A r rota

231 Az E elektromos térerősség vektor r komponense Az előbbiek alapján ]. ) sin ( [sin sin 1 1 }, ) ( sin 1 ] ) ( [sin sin 1 { 1 ) ( r Z r E rotz r rotz r Z rot rot E r r r

232 Az E elektromos térerősség vektor θ és φ komponensei Hasonlóképpen 0. ) ( sin 1 ]} ) sin ( [ 1 { 1 ]}, ) ( [ 1 ) ( sin 1 { 1 ) ( E és r Z r r r r Z r r r E Z rot r r r Z rot r Z rot rot E r

233 A B és az E vektorok viszonya Mivel a B-nek B φ komponense van, az E-nek pedig E r és E θ komponense, nyilvánvaló, hogy az E és a B vektorok egymásra merőlegesek. A B a szélességi kör, míg az E a meridián mentén hat.

234 A B φ, az E r és az E θ komponensek A levezetésünk azonban még nem kész! Ehhez a Z különböző deriváltjait kell meghatároznunk.. ) 1 ( ) ( , 4 1 ), ( ) ( 0 2 ) ( 0 ) ( 0 Z c i r c i r e p r e p r Z r e p t r Z c r t i c r t i c r t i

235 A B φ, az E r és az E θ komponensek Továbbá. ) 1 ( ] ) ( [ ) 1 ( ) 1 ( ) (1 ) (1 ] ) (1 [ ) ( Z r c c i r Z r c i c i Z c i r Z c i Z c i r c r i Z c i r Z c r i Z c i Z c r i r r Z r r

236 A B φ, az E r és az E θ komponensek És legvégül. ) ( ) ( ) 1 ( ) 1 ( ] ) 1 [( ) ( 2 2 Z r i c Z c r i Z i c i r t Z c i r Z c i r t r Z t

237 A B φ, az E r és az E θ komponensek Ezeket behelyetesítve a B φ -be, az E r -be és az E θ -ba:. ) 1 ( sin 1, ) 1 ( cos 2 1, ) 1 ( sin Z c cr i r E Z cr i r E Z c i r i B r

238 A B φ, az E r és az E θ 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! c r 2 r 2 r r 2. 1 c c c T r

239 A B φ, az E r és az E θ 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!

240 Tér a dipólus közelében: közeli sugárzási zóna Ekkor Így. 4 1 ), (, ) ( 0 r e p t r Z t c r t it. ) ( sin 4 ) ( 4 1 sin sin t t p r r t p r i Z r i B

241 Tér a dipólus közelében: közeli sugárzási zóna Továbbá ). ( sin 4 1 ) ( 4 1 sin 1 1 sin 1 ), ( 2cos 4 1 ) ( cos cos t p r r t p r Z r E t p r r t p r Z r E r

242 Tér a dipólus közelében: közeli sugárzási zóna A rezgő dipólus közelében a B az (1/r 2 )-el, míg az E az (1/r 3 )-el arányosan csökken az r növekedésével.

243 Tér a dipólustól távol: távoli sugárzási zóna E tartományt hullámzónának nevezzük. Itt. ) ( sin 4 1 ) ( 4 1 sin 1 0,. ) ( sin 4 ) ( 4 1 sin sin t c r t p r c r c r t p c E E t c r t p r c r c r t p c i i Z c i i B r

244 Tér a dipólustól távol: távoli sugárzási zóna Mivel Mivel. ) ( sin 4 1, ) ( sin 4 1, t c r t p r c E t c r t p r c B c c c

245 Tér a dipólustól távol: távoli sugárzási zóna Látható, hogy ). (, ) ( 4 1, ) ( sin r B c E r r t c r t p c B t c r t p r c E c B

246 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.

247

248 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.

249 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.

250 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.

251 Schumann rezonancia Az alapfrekvencia változásai

252 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.

253 Schumann rezonancia A rezonancia intenzitása a karakterisztikus frekvenciák függvényében.

254 Schumann rezonancia Az előbbi jelenség megálmodója, azaz elméleti előrejelzője Schumann volt ben. 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

255 Schumann rezonancia Egy Schumann rezonancia vevő, Negev sivatag, Izrael.

256

257 Villámklimatológia Másodpercenként darab villám világszerte az 1000 db állandóan fennálló zivatarból. Túlnyomórészt szárazföldek felett vannak. Területi sűrűség: darab km -2 év-1 a trópusokban, 1-4 darab km-2 év-1 közepes szélességeken

258 Villámklimatológia Havi összegek évi menete

259 Villámklimatológia Perces összegek napi menete

260 Villámklimatológia A havi összegek nagyon jó korrelálnak a nedves hőmérséklettel

261 Villámklimatológia A havi összegek évi menete nagyon jó korrelál a nedves hőmérséklet évi menetével

262 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!