Błyskawice mają charakterystyczne zygzakowate kształty, a fizycy od dawna zastanawiają się, dlaczego. Ale już, Johna Lowke'a i Endre Szili z University of South Australia przeprowadzili obliczenia, które mogą wyjaśnić to zachowanie.
Duet stworzył model opisujący niezwykłą propagację „liderów piorunów” – kanałów zjonizowanego powietrza – łączących chmury burzowe z ziemią. Sugerują, że zygzakowate kroki są związane z wysoce wzbudzonymi, metastabilnymi atomami tlenu – co znacznie ułatwia przepływ prądu elektrycznego przez powietrze.
Wydaje się, że błyskawice rozprzestrzeniają się w serii kroków, w których uczestniczą liderzy, którzy mają dziesiątki metrów długości i pochodzą z chmur burzowych. Lider zaświeci się na około 1 µs w miarę przepływu prądu, tworząc krok. Następnie kanał ściemnieje na dziesiątki mikrosekund, po czym na końcu poprzedniego lidera powstanie kolejny świetlisty stopień – czasami z występującymi rozgałęzieniami. Proces ten powtarza się, tworząc znajomy postrzępiony kształt błyskawicy. Ciekawym aspektem tego procesu jest to, że gdy stopień zaświeci się i ściemni, nie zapala się ponownie – mimo że jest częścią kolumny przewodzącej.
Wiadomo, że to stopniowanie jest odpowiedzialne za charakterystyczne zygzakowate wzory występujące w smugach wyładowań atmosferycznych, ale istnieje kilka pytań bez odpowiedzi dotyczących fizyki stojącej za tym zjawiskiem. W szczególności natura ciemnych, ale przewodzących kolumn łączących przywódców z chmurami burzowymi w dużej mierze pozostaje tajemnicą.
Tlen singletowy delta
W swoich badaniach Lowke i Szili obliczyli, że zachowanie krokowe może być związane z akumulacją wysoce wzbudzonych cząsteczek tlenu zwanych „metastabilnym tlenem singletowym delta”. Cząsteczki te mają żywotność radiacyjną około jednej godziny i powodują odłączanie elektronów od ujemnych jonów tlenu – zwiększając przewodnictwo otaczającego je powietrza.
Fizyk, który oswaja pioruny
Duet sugeruje, że czas między kolejnymi krokami odpowiada czasowi potrzebnemu do zgromadzenia wystarczających stężeń metastabilnych cząsteczek na końcach lidera. Zwiększa to pole elektryczne na końcówce, umożliwiając dalszą jonizację w następnym kroku. Ponadto naukowcy proponują, aby wysokie stężenia singletowego tlenu delta utrzymywały się na wcześniejszych etapach, umożliwiając tym etapom utrzymanie przewodnictwa elektrycznego, nawet bez podtrzymującego pola elektrycznego.
Lowke i Szili mają nadzieję, że lepsze zrozumienie tego procesu może doprowadzić do opracowania nowych technik i surowszych przepisów dotyczących ochrony budynków przed uderzeniami piorunów. Mogłoby to zminimalizować szkody gospodarcze i środowiskowe spowodowane wyładowaniami atmosferycznymi, jednocześnie zmniejszając zagrożenie życia i zdrowia.
Badania opisano w Journal of Physics D: Fizyka Stosowana.
