Hvorfra kommer gnisten til et lyn?

Årsagen til lyn og torden er stadig ikke forstået til bunds.

Man ved, at lyn skyldes en opbygning af elektriske ladninger mellem forskellige lag i atmosfæren, og man ved også, at lyn kommer i flere varianter: Fra sky til sky, fra sky til jord eller hav og fra jord eller hav til sky. Men man ved ikke, hvordan lynet får sin første gnist, og man ved heller ikke i detaljer, på hvilken måde skyerne opbygger tilstrækkeligt store elektriske ladningsforskelle.

Det største problem er, at man i tordenskyer kun kan måle et elektrisk felt på cirka 3 kilovolt pr. centimeter, hvilket er en faktor 3-4 gange mindre, end det er nødvendigt for at luftens spændingsholdbarhed overvindes, og et lyn kan springe. Der mangler altså en forklaring på, hvordan - og præcis hvor i skyen - spændingen kommer tilstrækkeligt højt op.

Hidtil har forskerne manglet en ordentlig forklaring på, hvordan spændingsfeltet i tordenskyer kan komme så højt op, at et lyn kan springe. En ny artikel i Journal of Geophysical Research kommer med det hidtil bedste bud. Illustration: Minerva Studio / Bigstock

I 1992 foreslog den russiske fysiker Aleksandr Viktorovich Gurevich derfor en teori, som sagde, at initieringen af et lyn skyldes et bombardement af hurtige protoner og elektroner fra rummet. Et lyn kan kun springe, sagde han, når disse hurtige partikler initierer en kædereaktion af elektronbombardementer i luftmolekyler.

Ifølge teorien kan den proces også producere røntgen- og gammastråler, og da satellitter faktisk har kunnet observere udbrud af gammastråler blandt tordenskyer, har man i de sidste 20 år betragtet Gurevichs mekanisme som en plausibel forklaring.

Læs også: Lynnedslag smadrer togtrafikkens sikringsanlæg på Fyn og i Jylland

Men i en ny artikel i Journal of Geophysical Research viser Joseph Dwyer fra Florida Institute of Technology i USA, at det desværre slet ikke er så klart.

Spørgsmålet er nemlig, om der overhovedet er nok energi i partiklerne fra rummet til at øge luftens ledningsevne via kædereaktionerne.

For at undersøge dette har han sammen med kolleger fra det russiske kernefysikcenter VNIIEF i Sarov arbejdet sig igennem et tykt lag af ligninger og beregnet sandsynligheden for sammenstød med partiklerne fra rummet, samt raten af de gennem sammenstødene producerede elektroner, positroner, gammafotoner osv., der kan inducere det elektriske felt.

Ved hjælp af en computermodel testede de effekten af både de hurtige kosmiske partikler samt af den kontinuerte langsomme baggrundsstråling. Resultatet viser, at lyn ikke kan udløses via Gurevichs mekanisme.

Kosmiske bombardementer og den resulterende lavine af højenergi-elektroner er simpelthen ikke nok til at starte et lyn. Hvis man derimod medregner effekten fra den langsomme baggrundsstråling, kan det til gengæld godt lykkes. Og det er noget nyt.

Læs også: Klimaændringer giver op til 25 procent flere lyn

På en måde ved vi i dag lige så lidt om lynets oprindelse som dengang i 1750, da Benjamin Franklin opfandt lynaflederen og lavede sit berømte eksperiment med en nøgle, der blev sat fast på en drage.

Franklin viste, at lyn var en form for elektricitet, men han kunne på det tidspunkt ikke forklare, hvordan vandkredsløbet og tordenskyernes bevægelse hen over jordoverfladen kunne opbygge de elektriske modpoler.

Processen har vist sig at være ganske kompleks og synes at involvere luftens bevægelse, dannelsen af vand, graupel (som er en mellemting mellem slud og hagl), sne og ispartikler i skyerne, partiklernes friktion og deres opbygning af statisk elektricitet, partiklernes forskellige størrelser samt tyngdekraftens og vindens separation af de små partiklers positive ladning fra de store partiklers negative ladning, der under påvirkning fra Jordens magnetfelt synker ned eller stiger op og derved opbygger et elektrisk felt.

Franklin vidste heller intet om, hvordan den første gnist kunne opstå af sig selv. I dag ved vi, at elektroner i atmosfæren i gennemsnit kan bevæge sig én centimeter inden de kolliderer med en anden partikel.

Læs også: Air France: Lynnedslag har muligvis sendt Airbus i havet

Hvis der er tale om højenergetiske elektroner fra rummet, der typisk bevæger sig med en hastighed tæt på lysets, kan de bevæge sig op til 100 gange længere, før de rammer noget på vejen.

I et elektrisk felt vil disse hurtige 'relativistiske' elektroner i modsætning til luftens langsomme elektroner tilmed kunne øge deres hastighed, fordi friktion stort set ikke er til stede ved den hastighed.

Disse superhurtige partikler smadrer så ind i luftens molekyler, hvilket frigør nye relativistiske partikler, der spredes i en kædereaktion af bombardementer, lidt ligesom partiklerne i en partikelaccelerator, hvorved stadigt flere fundamentale partikler skydes af sted og danner en lavine af 'runaway'-elektroner.

Mekanismen kaldes 'relativistic runaway electron avalanche', RREA, og kan ifølge Gurevichs teori generere et ioniseret domæne af elektron-ion-par, som polariseres i positivt og negativt ladede områder.

Dette plasma af ioner har kanter, hvor der dannes et stærkt elektrisk felt, hvilket er netop det sted, der ifølge Gurevich 'initierer gnisten for den lokale elektriske udladning ... som så er årsagen til at et lyn kan starte.'

Læs også: Stor mystik om lynet, der slog ned i fodboldspiller i Hvidovre

Man ved, at de polariserede plasmakanaler skridtvis forlænges 50-100 meter ad gangen indtil de møder en (som regel positiv) modpol, der bevæger sig opad fra jordoverfladen. Det kortslutter systemet.

Lynkanalen er færdigdannet og giver plads til den egentlige udladning, hvor en strøm på flere hundredetusinde ampere i løbet af 20-40 mikrosekunder udligner spændingsforskellen mellem de forskellige lag.

Men ifølge Dwyer og kolleger er antallet af de superhurtige kosmiske partikler som sagt slet ikke tilstrækkeligt til at producere et stærkt nok elektrisk felt, der tillader et lynnedslag.

Nøjagtige numeriske beregninger, baseret på realistiske værdier for antallet af partikler og deres energi, viser, at Gurevichs mekanisme kun kan forklare et felt på 4-8 kilovolt pr. centimeter.

Det er nok til eventuelt at starte et lyn, når det regner, men ikke til at danne lyn, når det er tørt, dvs. når der ikke er nogen nedbørspartikler, som kan katalysere processen.

»Gurevichs foreslåede mekanisme med det kosmiske brusebad af hurtige partikler fra rummet er kun i stand til at producere en moderat stigning i det elektriske felt,« siger Joseph Dwyer i en kommentar til Ingeniøren.

»Og det gælder endda kun for ekstreme betingelser, dvs. når der er et stort elektrisk felt i en tordensky, og når vi har noget af den mest kraftige nedbør af kosmiske partikler, der nogensinde er blevet observeret.«

Men selv i den situation er det ikke klart, om de kosmiske partikler overhovedet er nødvendige, siger Dwyer, fordi de elektriske felter, som antages at eksistere, før partiklerne regner ned, allerede er meget store.

»Den lave hyppighed af så kraftige nedslag af hurtige partikler fra rummet fortæller, at mekanismen højst ville kunne forklare en meget lille andel af alle lynnedslag her på Jorden,« forklarer Joseph Dwyer.

Læs også: Solsystemets længste tordenvejr

Til gengæld viser forskernes beregninger, at det er muligt at danne et tilstrækkeligt stærkt elektrisk felt ved hjælp af den kosmiske baggrundsstråling. Den har meget langsommere partikler, men der er mange flere at tage af.

Med den almindelige baggrundsstråling i ligningerne vil feltet komme op på over 13 kilovolt pr. centimeter, hvilket er nok til at danne en polariseret plasmakanal, hvis kant kan befolkes af det eksponentielt voksende antal af relativistiske elektroner, der til sidst vil føre til et lynnedslag.

Det foregår godt nok meget langsommere end på den måde, Gurevich har foreslået, men en gradvis opbygning af positivt og negativt ladede molekyler i en tordensky vil være nok til at overvinde luftens modstand.

»Hvis man undersøger mekanismen med udgangspunkt i den normale kosmiske baggrundsstråling, vil man være i stand til at generere et tilstrækkeligt stort elektrisk felt. »Baggrundsstrålingen er derfor sandsynligvis vigtigere end tidligere antaget,« siger Joseph Dwyer.

Læs også: Den amerikanske hær på vej med laserstyrede lyn

Sammen med sine kolleger vil han nu undersøge tidsintervallerne nærmere og desuden fortsætte med at teste ideerne ved hjælp af detektering af radiobølger. For hvis der virkelig dannes en kædereaktion af elektroner, burde de kunne høres i en radio, da elektroner i høj fart danner elektromagnetisk stråling med bølgelængder længere end det infrarøde lys.

I løbet af de sidste tre år har Dwyer og kolleger fra det internationale center for udforskning af lyn ved militærbasen Camp Blanding i Florida forsøgt at finde spor af de hurtige partiklers sammenstød ved at lede efter deres signaturer i tordenskyernes radio- og gammastråler.

Den teoretiske analyse i Journal of Geophysical Research peger altså på, at vi måske snart kan sige, at vi forstår lynets oprindelse. Der er ikke brug for højenergipartikler fra rummet, men uden den langsomme kosmiske baggrundsstråling går det ikke.

Emner : Fysik
sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Franklin viste, at lyn var en form for elektricitet, men han kunne på det tidspunkt ikke forklare, hvordan vandkredsløbet og tordenskyernes bevægelse hen over jordoverfladen kunne opbygge de elektriske modpoler. <<

Næh, Franklin var lidt tidlig ude for at komme den atmosfæriske elektricitet nærmere ind på livet! Egentlig er der dog stadig ikke i det etablerede videnskabssamfund en forståelse for fænomenet, så den store misforståelse, at elektriciteten i tordenskyer er statisk elektricitet, er en meget løs antagelse, hovedsagligt mellem meteorologer (ikke højspændingsfysikere!), og det er stadig hvad opdslagsværker og 'Wiki' oplyser!

Artiklen med dens referencer til russiske og amerikanske forskere, er ret meningsløs i spekulationerne om hvad der udløser et lyn. Ethvert dielektrikum, det gælder også luft med diverse luftfugtigheder og forekomster af hagl med varierende elektriske ladninger har en given grænse for bnistgennebruddet!

Jeg har i diverse fora i snart 25 år arbejdet for videnskabssamfundet skulle forstå at elektriciteten i tordenskyer er dannet ved piezoelektriske processer. Det sker dels når neutralt ladede uderafkølede vanddråber bliver tiltrukket det nærmeste hagl (som er postivt ladede!) og derved dannes til is på et øjeblik. Det sker også ved at hagl som transporteres op i opdriftsstrømmen midt i tordenskyen, kommer op i meget koldere atmosfæriske lag, hvor hagle kaster yderligere elektroner fra sig.

Idéen om at tordenskyen skulle danne statisk elektricitet er en umulighed af mindst to grunde. For det første er kendte processer for dannelse af statisk elektricitet, ved fx gnidning/sammenstød meget ineffektive. En tordensky rummer ifølge meteorologernes egne beregninger en anselig energi, 15-20 Hiroshima-bomber! Hvis den elektriske energikonvertering til statisk elektricitet har været fx 1 % (hvilket nok er meget højt regnet!), skulle der i tordenskyernes luftstrømme være en tæmmelig stor 'restenergi' at spore!

Den opadgående luftstrøm midt i tordenskyen er meget laminar. Hvis hagl i denne luftstrøm skulle udsætte hinanden for en vældig masse sammenstød, ville luftstrømmen på ingen måde kunne være laminar. Den laminare luftstrøm kræver nemlig at hvert hagl frastøder andre hagl i luftstrømmen; på den måde holder haglene deres plads i luftstrømmen!

Luftstrømmen i en tordensky beskriver en torus, nærmest som en perfekt røgring fra en ryger! Den overordnede vind omkring tordenskyen varierer med retning og hastighed. Det betyder at tordenskyen tit får et udseende som en 'ambolt', når den ses fra siden.

Hagltilvæksten sker så længe der under tordenskyen findes fugtig varm luft. Det er forholdsvis nemt at vise at haglene kun kan vokse i en tilnærmet kuglefacon. Det skyldes at de 'holder hinanden i skak' i den opadgående luftstrøm!

John Larsson

  • 0
  • 1
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten