A légkörben lejátszódó jelenségek közül talán a villámok a legfélelmetesebbek. Ha a villám magasabb épületbe vagy fába csap, pillanatok alatt tűzvészt okoz. A villámot figyelő embert nem annyira az éles fény, a cikázó villanás, mint inkább a fejlesztett hő hatása: a dörgés ijeszti meg. Régi félelem ez.
A mitológiák tanúsága szerint az emberek a leghatalmasabb istenek fegyvereiként félték a villámokat. A görög mitológiában a villám a fellegtorlaszoló Zeusz haragját hordozta, s nemcsak az emberek, de még a nem enyésző istenek is reszkettek tőle.
„Rossz néven ne vegyétek, olümposzi égilakók, ti, / hogyha fiam-bosszúlni akháj bárkák felé rontok / még ha sorsom az is, hogy Zeusz-villáma-ütötten / holttetemek közepette heverjek a vérben, a porban”. (Iliász XV.) Arész, a féktelen harc istene félt így apjától, a Mennykövezőtől.
Régóta tudjuk, hogy (kevésbé költőien, de tudományosan megfogalmazva) e természeti jelenség nem más, mint hatalmas elektromos kisülés, amely igen nagy potenciálkülönbséget, más néven elektromos feszültséget süt ki. Hogy erről a magunkban ismertnek elkönyvelt jelenségről ma mármennyi részletet ismer a tudomány, s hogy mégis mennyi mindent nem tudunk még a villámokról – Feynman fizikáját olvasva jöttem rá. Mellesleg arra is érdemes odafigyelni, hogyan tanít fizikát a szerző. Ismét rájövünk, hogy a természet megismeréséhez eddig megtett lépések távolról sem juttattak el annak kimerítéséhez. A hétfejű sárkánnyal harcoló vitéz szerepe hárul a tudományra: ha sikerül is egy fejet levágnia, hét újabb nő ki helyette, a győzelmet biztosító „hetet egy csapásra” pedig elvi lehetetlenségekbe ütközik. Marad tehát a harc maga.
Feynman fizikájának a légköri elektromosságról szóló előadása igazi meglepetés. A szerző módszere: a földi légkörben lejátszódó jelenségkomplexum egységes, dialektikus tárgyalása. A Zeusz haragját hordozó nyilakból elektromos kisüléssé „lefokozott” villámokról kiderül, hogy ezek nemcsak kisütik a felhők és a föld közötti potenciálkülönbséget, hanem ugyanakkor a légkör elektromos feltöltését is szolgálják.
Igen, a légkör a szép időjárású napokon is elektromossággal töltött. A mérések azt mutatják, hogy a negatívan töltött földfelület fölött az elektromos potenciál méterenként mintegy 100 volttal emelkedik. Ez azt jelenti, hogy a földfelület és a légkör 50 kilométer magasságban levő rétegei között a feszültség eléri a 400 ezer voltot. A potenciálnövekedés 50 kilométer magasságban megszűnik, mivel a kozmikus sugárzás hatására a levegő ebben a magasságban nagymértékben ionizált és elvezeti a töltéseket.
Érdekes kérdések következhetnek ebből: hasznosítható-e ez az elektromosság? A talpunk és a fejünk búbja közötti majdnem 200 voltos feszültség miért nem okoz áramütést? Ha az ugyanolyan potenciálú pontokat összekötjük, az úgynevezett ekvipotenciális (azonos potenciálú) felületeket kapjuk. (Sík terület fölött az ekvipotenciális felületek természetesen a talajjal párhuzamos síkok.)
Az elektromosságot jól vezető testekre jellemző, hogy felületükön a töltések úgy helyezkednek el, hogy a vezető felületének minden pontja ugyanazzal a potenciállal rendelkezzék. Ebből következően a Földön álló ember vagy bármely más vezető, mivel a talajjal érintkezik, annak potenciáljára töltődik. Tehát fejünk és talpunk között valójában nem is létezik potenciálkülönbség.
Hasonló gondolatmenet alapján az is belátható, hogy a légköri elektromosság, a légkör rétegei között létező feszültségkülönbség technikai hasznosítása kivitelezhetetlen. A jól vezető Föld és az 50 kilométer magasságban már elég jól vezető légkör között jön létre a már említett 400 ezer V feszültség. Ha a légkör 50 kilométer magasan levő rétegeibe a Föld bármely pontja fölött pozitív töltések jutnak, azok ott egyenletesen fognak eloszlani, mint minden jól vezető gömb felszínén. A légkör alsóbb rétegeiben található pozitív ionok viszont a nagy feszültség hatására a negatív potenciálú földfelület felé áramlanak. Az így létrejövő igen kicsi áramerősség hatására még a 400 ezer volt feszültség is hamar kisülne, ha valami – mintegy áramforrásként – nem pótolná a feszültségesést. S ennek a kérdésnek a tárgyalásában vissza kell térnünk a villámokhoz. E feszültség fenntartásáért ugyanis a viharokban lejátszódó elektromos jelenségek a felelősek.
A Földön naponta körülbelül háromszáz vihar és zivatar tombol. Hogy jön létre egy viharfelhő, amelyben az elektromos jelenségek lejátszódnak? Köztudott, hogy a napsugarak hatására a talaj felmelegszik, és az általa visszasugárzott meleg felmelegíti a levegőt, amelynek hőmérséklete a magassággal fokozatosan csökken. A száraz, meleg levegő emelkedés közben a kis nyomású felsőbb rétegekben hirtelen kitágul, s ezért lehűl. Annyira, hogy hőmérséklete a környező ott levő levegőénél is alacsonyabbá válik. Így az alig feljutott levegő lenne a nehezebb és alászállna: végeredményben a száraz meleg levegő nem is száll fel.
A páradús, meleg levegő szintén felszáll, szintén kitágul és lehűl, de eközben a vízpára lecsapódik, ami hőfelszabadítást eredményez. Így az éppen felszállt levegő kevésbé hűl le, környezeténél melegebb marad és folytatja emelkedését, a környező levegőt is mozgásba hozva. Ezzel kezdődik a viharfelhő kialakulása. A viharfelhőben – eddig nem teljesen tisztázott okok miatt és körülmények között – az elektromos töltések megoszlanak: a felhő aljában gyűlnek össze a negatív töltések s a felhő 15 kilométert is elérő magasságában a pozitív töltések.
A töltésmegoszlás bonyolult folyamatának tanulmányozása nem egyszerű, ehhez a viharfelhő belső állapotait kellene feltárni különböző magasságokban. Bonyolítja a kérdést az is, hogy a felhő lényegében negatívan töltött alsó részén pozitívan töltött zónák is elkülönülnek a sűrű eső övezetében. Úgy tűnik, senki sem tudja, miért vannak ott, mi a fontosságuk – az eső mellékhatásai, vagy pedig a folyamat lényeges része. „A dolgok sokkal egyszerűbbek volnának, ha nem volna ott” (a pozitívan töltött zóna) – mondja Feynman. Ezekkel a pozitív töltésű részekkel magyarázhatók viszont a felhők közötti vagy a felhő részei közötti villámok.
A viharfelhő felső részében összegyűlt pozitív ionokat a felfelé irányuló áramlások feljuttatják az 50 kilométeres magasságba, ahol egyenletesen elosztanak. A felhő alsó részén levő negatív töltéseket, amelyek a ritkább eső zónájára esnek, a villámcsapások, azaz a felhő és a földfelület közötti kisülések juttatják a Föld felületére. Tehát: a villámok állandóan negatívan töltik a Földet, így szép időjárású vidékeken állandóan megmarad a földfelület és a magaslégkör közti potenciálkülönbség.
Hogyan következik be a villámcsapás? Írjuk le röviden a negatív aljú felhő és a Föld közötti villám kialakulásának a „mechanizmusát”. A felhő alján felhalmozódott negatív töltések egy része mintegy 50 métert nyomul a Föld felé egy egyenes vonal mentén, majd áll mintegy 50 mikromásodpercig, s aztán egy újabb 50 méteres lépést tesz. Több ilyen lépés után a felhőből származó töltések egy cikcakkos „vezető-szálat” alakítanak a levegőben. Amikor ez a szál eléri a Földet, a töltések hirtelen a Földbe távoznak: ez a villám. Pár századmásodperc múlva újabb töltések ereszkednek alá, ezúttal egy lépésben, mivel az előző kisülés helyén számos töltéshordozó maradt, mintegy megőrizve az említett „vezető-szálat”.
Mindez többször ismétlődhet, és elágazások is létrejöhetnek. A földfelület szomszédságában a jelenség még kiegészül: amikor a lefelé tartó kisülési szál mintegy 100 méter magasságba ér, a Föld felől egy másik szál emelkedik vele szembe (a levegő valószínűleg lavinaszerűen ionizálódik az igen nagy feszültség hatására). Ez a felfelé induló szál általában a legmagasabban fekvő pontokból indul ki. Ezért „találja el” a villám a legmagasabb pontokat.
De vajon, ha a villámokról valamivel többet tudunk, kevésbé félünk tőlük ? Aligha – mondaná a szkeptikus.
A tudományos kutatás eredményeként azonban – azon túlmenően, hogy a villámok ellen több-kevesebb eséllyel már ma is védekezni tudunk – a jövőben talán lehetségessé válik, hogy az ember, modern Zeuszként, a maga szolgálatába állítsa ezt a természeti jelenséget is.
Megjelent A Hét II. évfolyama 35. számában, 1971. augusztus 27-én.
