Kuidas teha välku.(Mart Kuurme)

Miks välku lööb ja müristab

Äikesepilve lähenemisel pagevad suvitajad rannalt, jätavad töö katki põllumehed ja ruttavad katuse alla tennisemängijad. Kuigi äike avaldub kõige otsesemalt valgus- ja heliefektidena välgu ja müristamise näol, saab see kõik alguse elektrilaengutest, täpsemalt erinimeliste laengutega osakeste paiknemisest pilve erinevatesse osadesse.

Tuletame meelde, millised on need protsessid, mis loovad sedavõrd pingelise olukorra, et õhk järsku välku lööma ja müristama hakkab.

Maapind ja umbes 50 kilomeetri kõrguselt algav ionosfäär moodustavad hiiglasliku kondensaatori. Viimase omapära seisneb aga selles, et kuigi kogulaeng on seal null, võib kummalegi tema kattele (antud juhul on kateteks maapind ja ionosfäär) koguneda nimetamisväärselt suur elektrilaeng. Need laengud tekitavad elektrivälja. Kuna õhus leidub vabu elektriliselt laetud osakesi, kulgeb Maa poole elektrivool, mille tugevus hea ilmaga on üheruutmeetrises mõttelises õhutorus 10 astmes -12 amprit. Arvestades maapinna kogupindala, saame selge ilmaga Maa atmosfääris kulgeva voolu tugevuseks 1800 amprit!

Seejuures on voolutugevus kogu umbes 50 kilomeetri kõrguses “õhutorus” ühesugune. Samal ajal elektriväli, mis selle voolu tekitab, väheneb maapinnast eemaldumisel pidevalt. Kuidas seda seletada? Asi on selles, et kõrgemal leidub rohkem ioone, mille suunatud liikumine õhus kulgev elektrivool ju ongi. Ühikulise ristlõikepindalaga õhutorus kulgeva voolu tugevust nimetakse voolutiheduseks (j = I/S) ja selle kohta käib valem j = σE, kus σ on siin elektrijuhtivus ja E elektriväljatugevus. Seega on mõistetav, miks juhtivuse ja väljatugevuse korrutis on muutumatu!

Selge, pilvitu ilmaga on elektrivälja tugevus maapinna lähedal umbes 100 V/m, äikese korral on väli muidugi palju kordi tugevam.

Võib leida koguni kolm kondensaatorit: ühe kateteks (plaatideks) on maapind ja ionosfäär, teise kateteks pilve alumine osa ja maapind, kolmanda kateteks pilve alumine ja ülemine osa.

Vaatleme lähemalt pilve ja pilvealust maapinna osa. Miks on pilve alumine osa laetud negatiivselt ja ülemine positiivselt? Just see on küsimus, millele ei oska praegu vist keegi üheselt vastata. Jääb loota, et järgnevalt pakutud mudel usutav tundub.

Pilve sees toimub pidev liikumine: lisaks aineosakeste korrapäratule siblimisele, mis kunagi ei lakka, liigub niiske õhk üles, moodustunud vihmapiisad aga alla. Võtame vaatluse alla ühe langeva veepiisa. Veepiisa alumine osa on positiivse laenguga, aga ülemine negatiivse laenguga. Selle kohta öeldakse, et ta on polariseeritud. Miks? Sellepärast, et elektriväli mõjutab iga laetud osakest elektrijõuga, mille suund oleneb osakese laengu märgist. Positiivsele laengule mõjub jõud elektrivälja suunas, negatiivsele elektrivälja suunaga vastassuunas. Mis väljast me antud juhul räägime? Eks ikka ionosfääri ja maapinna vahelisest, mille suund on ülalt alla, maapinna poole. See elektriväli põhjustabki tilgas olevate laetud osakeste ümberpaiknemise ja laadub tilga ülaosa negatiivselt, alumine positiivselt. Kujutame nüüd ette, et selline langev polariseeritud veetilk kohtab oma teel ioone, millest osa on positiivsed, osa negatiivsed. Neist positiivsed tõukab tilk endast eemale (positiivsed laengud tõukuvad), negatiivsed aga tõmbuvad tilga positiivse esiosa poole ja kompenseerivad selle laengu. Seega muutub veetilk tervikuna negatiivseks. Need positiivsed ioonid, mille veepiisk oma positiivse “ninaga” kõrvale tõukas, haaratakse ülespoole suunduva õhuga kaasa ning laevad pilve ülaosa positiivselt. Säärane mudel on küll ilus, aga saavutatud efekt jääb ikkagi sada korda nõrgemaks sellest, mis on vajalik tegeliku olukorra selgitamiseks. Põhilist rolli mängib nähtus nimega termoelektriline emissioon. Nimelt leidub alati iga keha pinna läheduses vabu elektrone, mille soojusliikumise energia on osutunud piisavaks, et rebida end aatomite ikkest vabaks ja tunda end koos teiste saatusekaaslastega vabana keha pinna läheduses moodustunud elektronpilves. Kui lähedusse satub teine, samuti elektronpilvega ümbritsetud keha, mis elektrone tugevamini tõmbab kui eelmine, omandab see uus keha negatiivse, vana aga positiivse laengu. Pilves nii juhtubki – jääkristallid tõmbavad elektrone tugevamini kui veepiisad. Seetõttu koguneb pilve ülaossa, kus on külm ja seetõttu palju jääd, positiivne laeng, pilve alaossa, kus leidub palju veepiisku, aga negatiivne laeng.

Nii või teisiti – laeng koguneb, elektriväli tugevneb ja pinge tõuseb. Kui väli on nii tugev, et teineteisest ühe meetri kaugusel olevate punktide vahel ulatub pinge juba 100 000 voldini, algavadki protsessid, mis välgu ja müristamiseni viivad.

Piksenoole elulugu

Räägime välgust pilve ja maapinna vahel

Elektrilahendus atmosfääris võib toimuda nii pilve ülemise ja alumise, kahe pilve kui ka Maa ja pilve vahel. Edasi vaatleme just viimast juhtumit.

Olgu öeldud, et kui pilve alumine serv on maapinnast kilomeetri-paari kõrgusel, siis on pinge maapinna ja pilve vahel juba miljon volti! Meenutame, et ionosfääri ja maapinna vahel on vaid umbes 400 000-voldine pinge.

Tasub teada, et kuigi sädelahendus ehk välk kestab vaid umbes ühe kümnendiksekundi, koosneb see mitmest umbes tuhandiksekundisest vooluimpulsist, mis järgnevad üksteisele umbes sajandiksekundiste vaheaegadega.

Vaatleme lahendust kahes etapis: lahenduskanali tekkimine ja voolu kulgemine piki tekkinud kanalit. Selle viimasega kaasnevad ka valgus- ja heliefektid – välk ja müristamine.

Kanali teke algab, kui pilve alaosast Maa poole suunduvad elektronid saavutavad nii suure kiiruse ja kineetilise energia, et nad suudavad õhu molekulidega kokku põrgates neist uusi elektrone välja lüüa. Need omakorda ioniseerivad järgmisi molekule. Tekib laviin – iseseisev gaaslahendus. See, umbes kümne miljoni kilomeetrise tunnikiirusega Maa poole kihutav laviin, mida ka liidriks kutsutakse, peatub umbes 50 meetri läbimisel 50 mikrosekundiks. Kogunud jõudu, teeb ta uue 50-meetrise hüppe ja peatub korraks jälle. Hüpped ei tarvitse seejuures toimud samas suunas. Nii hüpates läheneb liider Maale. Mida lähemal maapinnale, seda suurema jõuga tõmbab ta enda poole maapinnal paiknevaid positiivseid laenguid. Need ronivad nii kõrgele kui võimalik (sellepärast ei tohigi äikeselise ilmaga teravike läheduses viibida). Kui liider on jõudnud talle vastu tõttava positiivse laengu – striimeri – juurde, algab teine etapp: ioonidest moodustunud kanalit pidi hakkab kulgema vool Maast pilve. See vool on tugev (suurusjärgus 100 000 amprit). Seega kulgeb äikese puhul vool hoopis maapinnalt pilve, mitte pilvest maapinnale, nagu sageli arvatakse. See vool ongi üks teguritest, üks halva ilma vooludest, mis ei lase maakeral hea ilma voolude tulemusena oma laengust ilma jääda.

Piksenoole elulugu

1. Elektronid liiguvad siksakitades Maa poole.

2. Elektronide negatiivne laeng tõmbab maapinnast positiivseid laenguid enda poole.

3. Kahe laengukanali kohtumisel tekib tugev vool.

4. Positiivse laengu pilve poole liikumisel tekib välk.

Kuidas saab alguse kõuekärgatus?

1. Välguvool kuumutab kanalis olevat õhku.Kanalis olev õhk paisub.

2. Paisuv õhk jahtub ja tõmbub kokku.

3. Õhu vahelduv paisumine ja kokkutõmbumine põhjustabki helilaine tekkimise, mida kuuleme müristamisena.

Just selle ülespoole suunduva tugeva vooluga kaasnevad välk ja müristamine. Nii nagu elektrilambis, vabaneb salvestunud elektrienergia valgusena ja soojusena. Soojenemisel aga kehad paisuvad. Õhukanal, kus tugev vool kulgeb, soojeneb umbes 10 000 kraadini, paisub väga kiiresti, surudes ümbritsevat õhku hirmsa jõuga laiali. Paisudes aga kulutab ta energiat ja jahtub ning tõmbub taas kokku. Õhuvõnkeid meie kõrv aga helina tajubki. Valgus, mis läbib sekundis 300 000 kilomeetrit, jõuab silma peaaegu momentaanselt. Seevastu lööklaine, mille vaheldumisi paisuv ja kokkutõmbuv õhk tekitab, läbib sekundis vaid ühe kolmandiku kilomeetrist. Seetõttu tasubki hetkel, kui välku märkad, hakata sekundeid lugema. Sekundite arv jagatud kolmega, annab kauguse, kus välku lõi.

MART KUURME (1948) on Tallinna Reaalkooli füüsikaõpetaja, pedagoogikamagister.