Ugens ekspertspørgsmål: Hvordan opstår lyn?

I denne uges ekspertspørgsmål til Scientariet får du svaret på, hvordan den spredte ladning i en tordensky samles i et lyn.

Svend Ferdinandsen vil gerne have en forklaring på, hvordan lyn opstår:

Hvordan bliver ladningen i en tordensky kanaliseret ud i en lynstråle?

Den sidste tids tordenvejr fik mig til at tænke på, hvordan den meget spredte ladning i en tordensky bliver til et egentligt lyn.

Det, der sker på Jorden, virker rimeligt nok, da ledeevnen der er rimelig stor, men hvordan ender den spredte ladning i skyen i en enkelt (eller flere) lyn. Sky-til-sky-lyn er blot endnu mere besynderlige.

Afdelingsleder for Solsystem på DTU Space, Torsten Neubert, svarer:

Godt spørgsmål!

Den korte forklaring: Det er elektroner, der bærer strømmen i et lyn, og det er ioner, der neutraliserer skydråber og krystaller.

I luften er der tre slags ladninger: negative frie elektroner, positive ioner, hvor en elektron har forladt et molekyle og negative ioner, hvor et molekyle har fået en ekstra elektron.

Ioniseringen skabes af Solens uv-stråler, kosmisk stråling eller radioaktivitet fra Jordens overflade. Ionerne er store og tunge, fordi de udgøres af molekyler og bevæger sig langsomt gennem atmosfæren, hvis de udsættes for et elektrisk felt. Elektronerne er små og bevæger sig meget lettere. Det er derfor elektroner, der bærer strømmen i et lyn.

I troposfæren (0-12 km) er der næsten ingen frie elektroner, fordi de hurtigt sætter sig på molekyler. Det gør, at det er vanskeligt at trække en elektrisk strøm gennem atmosfæren.

I skyer sætter ioner og elektroner sig på dråber og iskrystaller eller skabes direkte i kollisioner mellem dem. Da de er endnu tungere end ioner, påvirkes de mest af Jordens tyngdekraft og af vinden.

Når en sky lades op, stiger det elektriske felt i skyen. Det kan variere
meget fra sted til sted inde i skyen. Det afhænger af tætheden af dråber og krystaller, ladningen på dem og opdriften i skyen.

Når det elektriske felt overstiger 32 kV/cm, skabes der en elektronlavine, hvor enkelte frie elektroner mellem hver kollision med atmosfærens molekyler får nok energi til at slå endnu en elektron fri. Der skabes pludselig en stor mænge ladningsbærere, der kan bevæge sig relativt let gennem atmosfæren. Samtidig udsendes der lys, som betyder, at den synlige struktur i et lyn viser, hvor langt de fleste elektroner er - og dermed hvor strømmen går.

Når elektronerne er trukket ud af - eller tilført et område af skyen
falder det elektriske felt, fordi der nu er tilført ladning af modsat fortegn, men der er stadig store ladningsforskelle mellem lynkanalerne og den omgivende sky.

Hvis elektroner er ført væk, er der positive ioner tilbage i kanalerne og hvis elektroner er ført til, sætter de sig på molekyler og skaber negative ioner.

Ioner tiltrækkes nu til de omgivende dråber og krystaller, som har modsat ladning og sætter sig på dem og neutraliserer dem. Fordi ioner er tungere, sker denne proces langsommere end selve lynudladningen.

Svend Ferdiandsen vinder to billetter til Danfoss Universe for sit spørgsmål.

Er du rigtig klog? Nu kan du udfordre dine venner med ekspert-spørgsmål fra Scientariet i Ingeniørens nye Facebook-quiz "Så ka' du lære det!". Klik her for at deltage i quizzen og teste dine venner.

Spørg Scientariet er redigeret af Julian Henlov, juh@ing.dk.

Spørg Scientariet

Du kan spørge om alt inden for teknologi og naturvidenskab. Redaktionen udvælger indsendte spørgsmål og finder den bedste ekspert til at svare – eller sender spørgsmålet videre til vores kloge læsere. Klik her for at stille dit spørgsmål til Scientariet.

Kommentarer (15)

"I skyer sætter ioner og elektroner sig på dråber og iskrystaller eller skabes direkte i kollisioner mellem dem. Da de er endnu tungere end ioner, påvirkes de mest af Jordens tyngdekraft og af vinden."
Her er en slags forklaring. Når vanddamp condenseres på eksisterende dråber vokser de indtil faldhastigheden får dråberne til at deles. Det er sjældent at de deles i to lige store dele. En stor dråbe falder hurtigere end en lille dråbe så de to dråber fjerner sig fra hinande.
Hvis delingen af dråberne sker i et elektrisk felt vil de to dråber efter delingen have forskellig ladning. Da dråberne falder med forskellig hastighed vil de opståede ladninger fjerne sig fra hinanden. Herved forstærkes det elektriske felt. Forudsætningen for at denne teori holder er at de små dråber rives af de store dråber fra undersiden.
Lord Kelvin har har lagt navn til et apparat der viser mekanismen, Kelvin Thunderstorm. http://amasci.com/emotor/kelvin.html

  • 0
  • 0

Jeg fandt her en video hvor man kan se et lyn slå ned i slow motion. Ganske spektakulært.

Lynet slår faktisk ikke ned, men op.

Det man ser der bevæger sig nedad, er den ioniserede luftmasse, som skaber en lynbane ned til jordoverfladen. Når lynbanen når til jordoverfladen sker selve lynet, som på filmen ses som et kraftigt lysglimt.

Lynet er en gnist af elektroner der sendes af sted mod skyens underside oven over. Sjældent slår et lyn ned, da undersiden af skyerne for det meste er positiv ladet.

Med venlig hilsen
Lars Kristensen

  • 0
  • 0

Lars,

Lynet slår faktisk ikke ned, men op

du har ret i at de fleste lyn slår op, men en del slår ned (10-20%). Det er et spørgsmål om hvilke ladninger, der opstår i skyen over jorden.
Der mangler i forklaringen en beskrivelse af, at lynbanen dannes i ryk på ca. 50 m ad gangen - stødionisation. Det kan man være heldig at se, hvis man er tæt nok på. Et fascinerende syn i øvrigt.

Mvh
Per A. Hansen

  • 0
  • 0

Er muligt, at styre lyn til at ramme et bestemt sted, - f.eks. ved at sende en UV-lysstråle op mod skyerne? Hvor meget energi er i et lyn, hvis den kunne samles op? Er nok, til at lyn kan bruges som energikilde?

  • 0
  • 0

[quote]Jeg fandt her en video hvor man kan se et lyn slå ned i slow motion. Ganske spektakulært.

Lynet slår faktisk ikke ned, men op.

Det man ser der bevæger sig nedad, er den ioniserede luftmasse, som skaber en lynbane ned til jordoverfladen. Når lynbanen når til jordoverfladen sker selve lynet, som på filmen ses som et kraftigt lysglimt.

Lynet er en gnist af elektroner der sendes af sted mod skyens underside oven over. Sjældent slår et lyn ned, da undersiden af skyerne for det meste er positiv ladet.

Med venlig hilsen
Lars Kristensen[/quote]

Det er helt forkert Lars! Todenskyerne har altid en positiv top og en bund med elektronunderskud. I sjældne tilfælde, ved dårligt ledende jordbundsforhold, kan jorden blive negativt ladet, eller rettere mere negativt ladet end en passerende tordensky. Da slår lynet opad, men det hører altså til sjældenhederne!

  • 0
  • 0

Ja, det svares der jo overhovedet ikke på! ;-)

>>I troposfæren (0-12 km) er der næsten ingen frie elektroner, fordi de hurtigt sætter sig på molekyler. Det gør, at det er vanskeligt at trække en elektrisk strøm gennem atmosfæren.<<

Og i den reviderede 1. Mosebog skulle der vel stå: "I begyndelsen var de frie elektroner oven tropopausen..." ;-)

Eksperten er jo her helt ude at "cykle"! Elektriciteten i tordenskyer er skabt i selve tordenskyen, hvor iskrystallerne i den opadgående luftstrøm kaster elektroner fra sig. Derfor er toppen positivt ladet og bunden negativt ladet (før en evt. udladning mod jorden finder sted!) Videnskaben kan ikke i dag besvare spørgsmålet HVORFOR iskrystallerne smider elektroner væk, men det bedste bud er nok at det handler om piezoelektricitet. Jeg synes at jeg læst om denne teori et sted på nettet, men kan ikke finde det nu. I alle tilfælde virker teorien vældig plausibel; trykket i de meget små vanddråber bliver temmelig voldsomt, når de fryser!

  • 0
  • 0

[Quote]Er (det) muligt, at styre lyn til at ramme et bestemt sted, - f.eks. ved at sende en UV-lysstråle op mod skyerne? Hvor meget energi er i et lyn, hvis den kunne samles op? Er nok, til at lyn kan bruges som energikilde? [Unquote]
Jens Madsen
Ja det er muligt at styre et lyn så det slår ned. Bejamin Franklin gjorde det med en drage. Andre har gjort det med raketter og dit forslag om
at bruge en ultraviolet laser er der også andre der har foreslået. Se " http://peswiki.com/energy/Directory:Lightn... "
Ser man nærmere på forslaget i linken ser man at det de forventer at få ud af det er en milon volt og 100 ampere i 20 milisekunder. Det er 2 megajoule eller 0,77 kWh. altså for ca. en krone elektricitet pr lyn. Det er nok ikke den måde vi løser verdens energiproblemer. Det kan vel næppe i gennemsnit konkurrere med en af de små solceller der sidder i en af de solcelledrevne havelygter til tredive kroner.

  • 0
  • 0

Videnskaben kan ikke i dag besvare spørgsmålet HVORFOR iskrystallerne smider elektroner væk, men det bedste bud er nok at det handler om piezoelektricitet.

Johan Ståhl
Jeg har ikke kunnet finde nogen forklaring heller, men jeg har fundet de spøjse apparat som hedder "Kelvin Thunderstorm". Det danner højspænding bare ved hjælp af faldende vanddråber. Hvorfor mon det kaldes Kelvin Thunderstorm? Det tyder på at nogen har fundet på at ladningsadskillelsen netop sker ved at dråber udskilles i et elektrisk felt.
Om det er iskrystaller der deler sig i små og store dele eller det er vanddråber er egentligt ligegyldigt for princippet.
Princippet kan ses på den måde at hvis et snekrystal befinder sig i et elektrisk felt og der falder en lille del af vil de to dele få forskellig ladning på grund af den elektriske fordeling i feltet. Hvis den mindste del der falder af sidder nederst vil den få den modsatte polaritet af den der findes under. Men da mindre dele har større luftmodstand i forhold til vægten vil de små partikler bevæge sig op i skyen og de tungere op. Herved forstærkes det felt der var der i forvejen.
Med hensyntil at kunne være piezoelektricitet, så tror jeg det næppe, men måske alligevel. Knækker man en spids af et iskrystal så knækker man en række af dipoler¨. Vand er dipoler og i krystallet er de ordnet så alle dipoler vender samme vej. Herved kan sammenstød af is krystaller producere en masse små spidser med samme ladning, der alle vil stige opad.

  • 0
  • 0

[quote]Videnskaben kan ikke i dag besvare spørgsmålet HVORFOR iskrystallerne smider elektroner væk, men det bedste bud er nok at det handler om piezoelektricitet.

Johan Ståhl
Jeg har ikke kunnet finde nogen forklaring heller...[/quote]

Jeg har også forsøgt at finde en forklaring:

Florida Institute Of Technology (2003, November 6). Thunderstorm Research Shocks Conventional Theories; Florida Tech Physicist Throws Open Debate On Lightning's Cause:
http://www.sciencedaily.com/releases/2003/...
Citat: "...
scientists have searched inside thunderstorms for many years, looking for these large electric fields, only to come up empty handed.
...
"Although everyone is familiar with lightning, we still don't know much about how it really works," said Dwyer.
..."

31 January, 2003, BBC News: Lightning's X-ray zap:
http://news.bbc.co.uk/1/hi/sci/tech/271389...
Citat: "...Lightning does emit X-rays, scientists have confirmed..."

Tordenskyers lyn varsles af op til ca. 40 sekunders retningsbestemte gammastråler:

Sep 11, 2007, Thundercloud "accelerator" fires gamma-ray beam:
http://physicsworld.com/cws/article/news/3...
Citat: "...
Tsuchiya says that bremsstrahlung at MeV energies would be focused into a beam that only illuminates a small area on the ground
....
According to Smith, the millions of volts required to produce MeV electrons could be sustained in a cloud for seconds or even minutes as long as the stream of electrons does not become so intense that it causes an avalanche-like electric breakdown of the type that could lead to lightning.
...."

"Overjordisk lysshow":
DMI: Røde feer over Europa:
http://glwww.dmi.dk/vejr/aktuelt/200109201...
Citat: "...dokumentere at røde feer også findes over Europa..."

Ground and Balloon-Borne Observations of Sprites and Jets:
http://www.uh.edu/research/spg/Sprites99.html

  • 0
  • 0

Og ja - der kan dannes en kraftig opdrift i en tordensky:

http://da.wikipedia.org/wiki/Dynamisk_opdrift
Citat: "...Pga. en tordenstorms voldsomme dynamiske opdrift i det østlige Australien blev den 35 årige paraglider Ewa Wisnierska suget op i ca. 9.940 meters højde, fra ca. 800 meters højde (gennemsnitlig 10 m/s; 36 km/t), i løbet af ca. 15 minutter med lyn og torden omkring sig og mistede bevidstheden i 30 minutter - og overlevede. Hun var blevet overiset, men formåede efter at være kommet til bevidsthed i ca. 500 meters højde, at lande og derefter kontakte sit team. Hendes højde (og position) blev målt med GPS
...":

February 16, 2007, washingtonpost.com: Paraglider Survives High-Flying Ordeal:
http://www.washingtonpost.com/wp-dyn/conte...
Citat: "...She recalled feeling like an astronaut returning from the moon as her landing approached. "I could see the Earth coming _ wow, like Apollo 13 _ I can see the Earth," she said..."

  • 0
  • 0

Det er helt forkert Lars! Todenskyerne har altid en positiv top og en bund med elektronunderskud.

Eller også er det omvendt.
Der er 4 muligheder for lyns opførsel - Enten er skyen plus eller er den minus.
Der er herefter 2 muligheder - enten dannes lynbanen fra jorden eller fra skyen.
hvordan fordelinger er procentisk har jeg ikke present, men det kan man sikkert finde på nettet.
At der er "kolde" og "varme" lyn er blot varianter, forskellen ligger i hvor hurtigt lynet udlades.

Mvh
Per A. Hansen

  • 0
  • 0

Mon ikke DMI giver et rimeligt svar på det stillede spørgsmål og vi kan alle være glade.

http://glwww.dmi.dk/nyt/torden/lynfysik.html

At jeg har fået opfattelsen om at flest lyn slår op, kan være på grund af, at det jeg læste om dengang, var lynhistorier fra andre dele af verden, hvor husene er højere end her i DK og jordoverflader er højere end 176 meter.

Med venlig hilsen
Lars Kristensen

  • 0
  • 0

Mon ikke DMI giver et rimeligt svar på det stillede spørgsmål og vi kan alle være glade. http://glwww.dmi.dk/nyt/torden/lynfysik.html

>>Den mest accepterede forklaring går ud på, at der inde i tordenskyen vil dannes negative og positive ladede partikler ved utallige sammenstød og gnidninger mellem iskrystaller og evt. hagl, der af de kraftige op- og nedvinde hvirvles rundt.
<<

Jeg vil nøjes med at kalde den for "Den mest spredte", for det er en virkelig dårlig "skrivebordsforklaring", Lars! Jeg ville ønske at dem (det kan næppe være højspændingsfysikere!) der bliver ved med at udbrede hypotesen om sammenstød og gnidninger til blot i et enkelt labororatorieforsøg dokumentere:

  1. at ens ladede partikler, der svæver frit i en isolerende gas, tiltrækker hinanden sådan at de støder sammen.

  2. og, hvis de alligevel skulle støde sammen eller komme til at gnide sig op ad hinanden, så forklare hvorfor BEGGE partikler bliver ladet med den samme ladning. Ved gnidninger i fx en van der Graaf generator, får gnidningskomponenterne modsat polaritet!

Nej, den eneste plausible teori i dag er den med piezoelektricitet! Mon ikke også meteorologer snart må indse det!

  • 0
  • 0

"Sjældent slår et lyn ned, da undersiden af skyerne for det meste er positiv ladet."- Lars

"Det er helt forkert Lars! Todenskyerne har altid en positiv top og en bund med elektronunderskud" - Johan

Johan; Hvis det er "helt forkert" hvad Lars siger, hvorfor siger du så det samme? Et "elektronunderskud" resulterer jo netop i en positiv ladning, så mon ikke du mener elektronoverskud?

  • 0
  • 0

Johan; Hvis det er "helt forkert" hvad Lars siger, hvorfor siger du så det samme? Et "elektronunderskud" resulterer jo netop i en positiv ladning, så mon ikke du mener elektronoverskud?

Tak Thomas! Jo, selvfølgelig mener jeg at skyens bund er negativ! Jeg håber at tanketorsken har været så indlysende, at den har været nem at fange! ;-)

  • 0
  • 0

At jeg har fået opfattelsen om at flest lyn slår op

Det gør de jo også ifølge DMI - en kanal begynder som regl fra skyden og går mod jorden, men det er jo ikke selve lynet, det er kortsluningen der sker når den rammer jorden der får lynet til at slå op i skyen.

  • 0
  • 0