A villámok jellegzetes cikk-cakk formájúak, és a fizikusok régóta azon töprengenek, hogy miért. Most, John Lowke és a Szili Endre a Dél-ausztrál Egyetemen végeztek számításokat, amelyek megmagyarázhatják ezt a viselkedést.
A duó olyan modellt alkotott, amely leírja a „villámvezérek” – az ionizált levegő csatornái – szokatlan terjedését, amelyek összekötik a zivatarfelhőket a talajjal. Azt javasolják, hogy a cikk-cakk lépések erősen gerjesztett, metastabil oxigénatomokhoz kapcsolódjanak – amelyek sokkal könnyebbé teszik az elektromos áram áramlását a levegőben.
Úgy tűnik, hogy a villámlás több tíz méter hosszú, zivatarfelhőkből származó vezetőket magában foglaló lépések során terjed. A vezető körülbelül 1 µs-ra világít, ahogy az áram folyik, és lépés jön létre. Ezután a csatorna több tíz mikroszekundumra elsötétül, majd az előző vezető végén a következő világító lépés jön létre – néha elágazásokkal. Ez a folyamat megismétlődik, hogy egy ismerős szaggatott villám alakot hozzon létre. Ennek a folyamatnak egy érdekes aspektusa, hogy amint egy lépcső kivilágosodott és elsötétült, nem világít újra – annak ellenére, hogy a vezető oszlop része.
Ismeretes, hogy ez a lépés felelős a villámcsíkokban található jellegzetes cikk-cakk mintákért, de számos megválaszolatlan kérdés van a jelenség mögött meghúzódó fizikával kapcsolatban. Különösen a vezetőket a zivatarfelhőkkel összekötő sötét, de vezető oszlopok természete maradt nagyrészt rejtély.
Szinglet delta oxigén
Lowke és Szili tanulmányukban úgy számolják, hogy a léptetési viselkedés összefüggésbe hozható az erősen gerjesztett oxigénmolekulák, az úgynevezett „szinglet delta metastabil oxigén” felhalmozódásával. Ezeknek a molekuláknak a sugárzási élettartama nagyjából egy óra, és elektronok leválását idézik elő a negatív oxigénionokról, növelve az őket körülvevő levegő vezetőképességét.
A fizikus, aki megszelídíti a villámokat
A kettős azt sugallja, hogy az egymást követő lépések közötti idő megfelel annak az időnek, amely szükséges ahhoz, hogy a metastabil molekulák megfelelő koncentrációja felhalmozódjon a vezető csúcsokon. Ez növeli az elektromos mezőt a csúcson, és lehetővé teszi a további ionizációt a következő lépésben. Ezen túlmenően a kutatók azt javasolják, hogy a szingulett delta-oxigén magas koncentrációja maradjon fenn a korábbi lépésekben, lehetővé téve, hogy ezek a lépések megőrizzék elektromos vezetőképességüket, még tartós elektromos tér nélkül is.
Lowke és Szili reméli, hogy ennek a folyamatnak a jobb megértése új technikákhoz és szigorúbb szabályozásokhoz vezethet az épületek villámcsapás elleni védelmére. Ez minimalizálhatja a villámcsapás által okozott gazdasági és környezeti károkat, miközben csökkenti az életet és a testet fenyegető veszélyt.
A kutatás leírása a Journal of Physics D: Applied Physics.
