11. fejezet - Légköri elektromosság és optika

Tartalom

11.1. Légköri elektromosság
11.1.1. Elektromosságtani alapfogalmak
11.1.2. Az ionoszféra
11.1.3. Villámok kialakulása
11.1.4. Sarki fény
11.2. Légköri optika
11.2.1. A légköri optika alapjai
11.2.2. Optikai jelenségek a légkörben

11.1. Légköri elektromosság

Ebben a fejezetben olyan légköri jelenségekkel foglalkozunk, amelyekben elektromos töltéssel rendelkező részecskék játszanak szerepet. Ezek a folyamatok általában a leglátványosabb légköri jelenségek körébe tartoznak, gondoljunk csak például a villámlásra vagy a sarki fényre. Ezen jelenségeken kívül ebben a fejezetben tárgyaljuk még a légkör magasabb régióiban, 60 és 1000 km között lejátszódó ionizációt is. A világűrből érkező sugárzás hatására kialakuló ionoszférarétegek fontos szerepet játszanak a 10 m-nél hosszabb rádióhullámok terjedésében.

11.1.1. Elektromosságtani alapfogalmak

A testek többsége elektromosan semleges, ami azt jelenti, hogy bennük a negatív és a pozitív töltések száma megegyezik. Ha ez az egyensúly felborul, és a töltések térbeli eloszlása egyenlőtlen lesz, elektromos erőtér keletkezik. A töltés legkisebb egysége az elemi töltés: 1,602 10–19 Coulomb (C). Megegyezés alapján a protonok töltése pozitív, az elektronok töltése negatív, abszolút értékben mindkettő megegyezik az elemi töltéssel. Ha az eredetileg semleges atomok és molekulák befognak, illetve leadnak egy vagy több elektront, ionok jönnek létre. A töltések közötti erőhatást a Coulomb-féle erő írja le, az azonos töltésű részecskék taszítják, az ellenkező előjelűek vonzzák egymást (11.1a. ábra). Ismét csak megegyezés alapján, az erőhatást közvetítő elektromos erővonalak a pozitív töltésekből indulnak és a negatív töltésekben végződnek (11.1b. ábra).

 

Elektromosan töltött részecskék közötti kölcsönhatás

11.1. ábra: Elektromosan töltött részecskék közötti kölcsönhatás: a) A töltésekre ható erők irányát a fekete nyilak jelölik. A töltött testek között fellépő erőt a Coulomb-féle törvény írja le. (Q1 és Q2 a töltések előjeles nagysága, R a testek közötti távolság, k pedig konstans.) b) Az elektromosan töltött testek között elektromos erőtér alakul ki. Az erőtér befolyásolja a töltéssel rendelkező részecskék mozgását. Az erőtér irányát vékony fekete nyilak, a töltésekre ható erőket pedig fehér nyilak jelölik. Az E erőtér nagysága arányos a testek közötti U feszültségkülönbséggel, és fordítottan arányos a testek közötti d távolsággal.

Elektromos erőtérben a töltéssel rendelkező részecskék mozgását az erőtér iránya határozza meg. A pozitív töltések az erőtér irányába, a negatív töltések azzal ellentétes irányba gyorsulnak. Minél erősebb az erőtér, annál nagyobb a gyorsulás. Az elektromos erőtér mértékegysége a V/m, az erőtér potenciálja a feszültség, melynek mértékegysége a volt (V). A töltéssel rendelkező részecskék – amelyek lehetnek elektronok vagy ionok – mozgását elektromos áramnak nevezzük. Az áram nagysága a felületen időegység alatt áthaladó össztöltés, iránya definíció alapján a pozitív töltések mozgásának irányával egyezik meg (11.2. ábra).

 

Az elektromos áramot az időegység alatt a felületen áthaladó töltések összegével definiáljuk

11.2. ábra: Az elektromos áramot az időegység alatt a felületen áthaladó töltések összegével definiáljuk. Az áram irányán a pozitív töltések mozgásának irányát értjük. Qp a pozitív részecskék, Qn pedig a negatív részecskék töltését jelöli.

 

Atomok és molekulák ionizálása elektromos erőtérben

11.3. ábra: Atomok és molekulák ionizálása elektromos erőtérben. Ha az elektromos térerősség kisebb, mint a közeg anyagi minőségére jellemző Ek térerősség, akkor a közeget alkotó részecskék rendezetlen mozgást végeznek (a). Nagyobb térerősség esetén az atomok és molekulák elveszíthetik egy vagy több elektronjukat. Az ionok és az elektronok mozgása rendezetté válik; a pozitív töltésű ionok az erővonalak irányába, a negatív töltésű elektronok azzal ellentétes irányba mozdulnak el (b).

Az áram mértékegysége az amper (A). Míg a legjobban vezető anyagokban, a fémekben az elektromos áramot az elektronok mozgása jelenti, addig a légkörben az áram lényegében az ionok mozgásának a következménye. Ha az ionok koncentrációja nulla vagy nagyon kicsi, akkor a levegő szigetelőként viselkedik. Az ionkoncentráció növekedésével a levegő vezetőképessége növekszik. Az elektromos térerősség növelésével a semleges molekulákról és atomokról elektronok szakadnak le, és a levegő hirtelen vezetővé válik (11.3. ábra). A levegőt alkotó molekulák ionizációját előidézheti még a világűrből érkező erős elektromágneses és részecske sugárzás, illetve a talajban és a légkörben található radioaktív anyagok bomlása. Az, hogy a levegő milyen elektromos térerősségnél válik vezetővé, függ a levegő hőmérsékletétől, nedvesség tartalmától és a légszennyező anyagok koncentrációjától.

11.1.2. Az ionoszféra

A légkör magasabb régióiban a Napból érkező ultraibolya és röntgen sugárzás hatására sok ion keletkezik. Nagy magasságokban az erős sugárzás következtében több ion keletkezik, és az ionok hosszabb élettartamúak is, mivel a kisebb légsűrűség és ionkoncentráció miatt csökken az ionok közötti ütközések valószínűsége. Alacsonyabb magasságokon az ellentétes töltésű ionok közötti gyakoribb ütközés a töltés elvesztését eredményezi (rekombináció). 60 km-es magasságban az ionok koncentrációja csak mintegy 100 ion/cm3, 300 km-es magasságban a koncentráció már tízezerszer nagyobb (11.4. ábra).

 

Szabad elektronok koncentrációjának változása a Föld felszínétől mért magasság függvényében

11.4. ábra: Szabad elektronok koncentrációjának változása a Föld felszínétől mért magasság függvényében. A lokális maximumok egy-egy ionoszféra rétegnek felelnek meg (forrás: Czelnai R., 1981.)

 

Ionoszféra rétegek elhelyezkedése a Föld körül

11.5. ábra: Ionoszféra rétegek elhelyezkedése a Föld körül.

Az egymással ellentétes ionizáció és rekombináció dinamikus egyensúlyt hoz létre, ami azonban távolról sem eredményez monoton növekvő vagy csökkenő ionkoncentráció profilt. Ennek oka elsősorban a légkör (s így az ionok) kémiai összetételének változása ezekben a magasságokban. Így aztán számos szinten alakul ki lokális ionkoncentráció-maximum. Ezen szintek környezetét tekintjük az ionoszféra különböző rétegeinek. Mivel az ionizáció a Napból érkező sugárzás eredménye, az ionizált rétegek jelenlétében napi és évi menetet is ki lehet mutatni. A 40 és 90 km között található legalsó B, C és D rétegek (a rétegeket az ABC nagybetűivel jelölik) rendszerint leépülnek az éjszaka folyamán. A 90 és 140 km között található E övezet is gyengül a napnyugtát követően, és éjszakára többnyire el is tűnik. Az ionoszféra legstabilabb rétege a F-fel jelölt övezet. Ez 140 km felett helyezkedik el és időben állandónak tekinthető (11.5. ábra).

11.1.3. Villámok kialakulása

A XVIII. sz. közepén Benjamin Franklin (1706–1790), akinek a nevéhez a villámhárító feltalálása is fűződik, kimutatta, hogy a villámlás egy hatalmas elektromos kisülés. Az elmúlt több mint két évszázadban igen sok, a megfigyelések által többé-kevésbé alátámasztott elmélet született a jelenség megmagyarázására, de számos részlet még ma sem tisztázott. A nehézségeket döntően két dolog okozza. Az egyik probléma, hogy a villámok kialakulásához szükséges töltésszétválasztódásban a felhőfizikai folyamatok igen széles – közel tíz nagyságrendet átfogó – skálája játszik szerepet. Ennek egyik végén a mikronos méretű jégkristályok ütközése és növekedése, a másik végén a kilométeres nagyságrendű levegőáramlás található. A másik probléma abból származik, hogy a rendszerint igen szélsőséges környezeti feltételek (nagy feláramlási sebesség, intenzív csapadékhullás stb.) megnehezítik a közvetlen megfigyelést.

 

Töltéseloszlás zivatarfelhők kifejlett és leépülő állapotában

11.6. ábra: Töltéseloszlás zivatarfelhők kifejlett és leépülő állapotában. Kifejlett állapotban, a felhő tetején a világűrből érkező sugárzás hatására negatív töltésű réteg alakul ki; ez a réteg azonban nem mindig figyelhető meg. A felhőalapnál, illetve a felhő felsőbb régióiban lévő pozitív töltésű tartományok, valamint a kb. 6 km-es magasságban megfigyelhető vékony, negatív töltésű réteg a felhőkben lejátszódó töltésszétválasztódási folyamatok eredményeként jönnek létre. Villámok leggyakrabban a felhő kifejlett állapotában alakulnak ki. Mivel az elkülönülő töltések koncentrációja csökken, az elektromos kisülések gyakorisága is csökken a felhő leépülő állapotában (forrás: Tudomány, 1989).

Azt már Franklin is megfigyelte, hogy a villámok kialakulását megelőzően a felhők többnyire negatív, de néha pozitív töltésűek. Ennek a kettősségnek az okát csak napjainkban sikerült tisztázni. Ma már tudjuk, hogy a zivatarfelhő nem elektromos dipólusként viselkedik, mint azt sokáig hitték, hanem elektromos tripólusként írható le (11.6. ábra). Hozzávetőlegesen a felhő közepén, a –15 °C-os izoterma magasságában (kb. 6 km) egy viszonylag vékony, néhányszor száz méter vastag negatív töltésű réteg található. A felhő teteje pozitív töltésű, ezt felülről csak egy vékony, nem mindig létező, a kozmikus sugárzás által ionizált negatív töltésű tartomány határolja; a felhőalapnál pedig egy pozitív töltésű zóna figyelhető meg. Mivel ez utóbbi zóna nem túl erős, távolról megfigyelve a felhő elektromos dipólusnak tűnik. A felhő alatt viszont a közelebb lévő pozitív töltés leárnyékolja az erősebb, de távolabb lévő negatív töltésű tartományt. A fentiek alapján értelmezhetjük Franklin megfigyeléseit is.

A töltések szétválasztódására számtalan hipotézis született. A legújabb kutatások szerint a töltésszétválasztódásban jelentős szerepet játszik a jégszemek és a jégkristályok ütközése. Laboratóriumi mérések segítségével kimutatták, hogy a jégszemek és a jégkristályok ütközésekor a részecskék kialakuló töltésének előjele függ a hőmérséklettől (11.7. ábra). A –15 °C-nál alacsonyabb hőmérsékleten a lefelé eső jégszemek negatív, a felfelé emelkedő jégkristályok pozitív töltésűek lesznek. A fentinél magasabb hőmérsékleti tartományban a töltéscsere ellentétes előjelű, azaz a jégszemek pozitív, a jégkristályok negatív töltésre tesznek szert. A töltéseknek ily módon történő szétválasztódása a zivatarfelhők tripólus jellege mellett azt is megmagyarázza, hogy miért a zivatarfelhők közepes magasságában, kb. 6 km-en alakul ki a vékony, negatív töltésű tartomány.

 

A töltésszétválasztódás napjainkban legelfogadottabb magyarázata

11.7. ábra: A töltésszétválasztódás napjainkban legelfogadottabb magyarázata. A –15 °C-os hőmérsékleti szint alatt a jégkristályok és jégszemek ütközését követően a jégszemek pozitív, a jégkristályok negatív töltésűek lesznek. A –15 °C-os hőmérsékleti szint felett az ütközést követően a jégkristályok lesznek pozitív, míg a jégszemek negatív töltésűek. Figyelembe véve a jégszemek és a jégkristályok eltérő mozgási irányát, meg tudjuk magyarázni a tripólus-szerkezet kialakulását (forrás: Tudomány, 1989).

Ha a töltésszétválasztódás következtében az elektromos térerősség eléri a 100.000 V/m-t, megkezdődik a töltéskisülés. Ez leggyakrabban felhők közötti villámok kialakulását jelenti. A lecsapó villámok többnyire a felhők negatív töltésű tartománya és a hozzá képest pozitív töltésű talaj közötti töltéscserét eredményezik. Ritkábban, de kialakulhat villám a felhő pozitív töltésű tartománya és a talaj között is. A lecsapó villám ún. lépcsős előkisüléssel kezdődik (11.8. ábra).

 

A lecsapó villám kialakulásának három fázisa

11.8. ábra: A lecsapó villám kialakulásának három fázisa. Lecsapó villám leggyakrabban a zivatarfelhő negatív töltésű tartománya és a hozzá képest pozitív potenciálú talaj között alakul ki. A negatív töltésű tartományból lépcsős előkisülés indul a talaj felé (1). A talajfelszín több pontjából ellenkisülés indul (2). Az előkisülés valamelyik ága véletlenszerűen egyesül valamelyik ellenkisüléssel, és a felhőtől a talajig húzódó ionizált csatorna alakul ki. Ebben az ionizált csatornában jön létre a főkisülés (3).

Ennek során a negatív töltésű elektronok szakaszosan haladnak a talaj felé egy-egy ugrással 10–200 m-t téve meg, és minden ugrás után 30–100 μs időre megtorpanva. A lépcsős előkisülés átlagos haladási sebessége kb. 10–50 cm/μs, az áramerősség pedig 10–100 A közötti érték. A talaj felé közeledő és a talajt már majdnem elérő előkisüléssel szemben, a talajról megindul az ellenkisülés, amely hossza általában néhány méter. Az ellenkisülés és az előkisülés által ionizált levegőben jön létre a főkisülés. A főkisülés során pozitív töltések áramlanak kb. 100 m/μs-os sebességgel a talajról a légkörbe, az áramerősség pedig 103–105 A között változik. Szabad szemmel általában csak a főkisülést látjuk, fényképfelvételeken esetenként az előkisülés többi ága és a talajról induló ellenkisülések is megfigyelhetők.

A villámlást kísérő mennydörgést a hatalmas áramerősség által több ezer fokra felmelegített levegő hirtelen kitágulása során kialakuló hanghullámok okozzák. Egy-egy villámcsatornában egymás után többször is létrejöhet főkisülés. Ebben az esetben is a főkisülést előkisülés előzi meg, ami újra ionizálja a villámcsatornát. Néha előfordul, hogy akár 10-nél több kisülési ciklus is végbemegy ugyanabban a villámcsatornában. Mivel a kisülési folyamatok nagyon gyorsan játszódnak le (az első előkisülés kb. 0,01 sec., későbbiek ennél százszor rövidebb ideig, a főkisülés pedig mindössze 10–4–10–5 sec-ig tart), az egymást követő kisülések is csak 1–2 másodpercig tartanak.

11.1.4. Sarki fény

Sokáig úgy hitték, hogy az arktikus égbolt látványos fényjelenségét a légkörben szivárványszerűen megtörő napfény okozza. A vibráló foltokat pedig a levegő mozgásának tulajdonították. Ma már tudjuk, hogy a fényt az ionoszférában lévő atomok és molekulák bocsátják ki, amikor a Napból érkező, elektromosan töltött részecskékkel ütköznek. A sarki fény és a Föld mágneses övezete közötti kapcsolat a világűrből jól megfigyelhető. A geomágneses pólusok körül egy hatalmas fénygyűrű figyelhető meg állandó jelleggel. A felszínről egy felül több száz kilométer magasan kezdődő és alul kb. 80–100 km magasan végződő zöldes-rózsás színű fényfüggöny látható. A függöny átlagosan egy kilométer vastag és több ezer kilométer széles.

 

A Napból érkező elektromosan töltött részecskék a Föld mágneses erővonalai mentén, spirális pályán közelítenek a sarkok felé

11.9. ábra: A Napból érkező elektromosan töltött részecskék a Föld mágneses erővonalai mentén, spirális pályán közelítenek a sarkok felé.

A Nap koronájából állandóan hidrogénionok (protonok) és elektronok áramlanak a világűrbe. Ez a napszélnek nevezett jelenség a Naprendszer külső régiót is elérheti. Az elektromos töltéssel rendelkező részecskéket a Földet körülvevő mágneses erővonalak eltérítik. Az ún. Lorentz-féle erő hatására a töltött részecskék a mágneses erővonalak körül spirális pályán közelítik meg a sarkokat (11.9. ábra). Sarki fény akkor keletkezik, amikor a légkör felső régióba becsapódó elektronok gerjesztik vagy ionizálják az atomokat és molekulákat, illetve a molekulák atomokra való bontásakor újabb gerjesztett atomokat hoznak létre (11.10. ábra). A gerjesztett és ionizált atomok széles színképtartományban sugároznak, miközben a gerjesztett atomok alacsonyabb energiájú állapotba kerülnek és az ionizált atomok elektronokat befogva rekombinálódnak. A zöldes szín az oxigénatomoktól származik, a sarki fény alsó peremén megfigyelhető rózsaszín fény pedig a gerjesztett nitrogénmolekulákból ered. Az egyéb atomok és molekulák által kibocsátott távoli ultraibolya, illetve infravörös tartományba eső fény a Föld felszínéről nem látható, mivel ezek erősen elnyelődnek a légkör alsóbb régióiban. A mágneses erővonalak mentén a földfelszínhez közelítő napszél-elektronok a gyakoribb ütközések következtében jelentős mértékben lefékeződnek, és ennek hatására csökken a gerjesztett és ionizált atomok, molekulák száma. Ezzel magyarázható, hogy a sarki fény sohasem terjed 80–100 km-es magasságnál lejjebb.

A Napban lejátszódó jelenségek erős hatással vannak a sarki fény intenzitására. A napkitörések és korona gáznemű anyagának erős kilövellései (protuberanciák) rövid időre jelentős mértékben megnövelik a napszélben a protonok és elektronok koncentrációját. Ebben az esetben a sarki fénygyűrű annyira kitágulhat, hogy eltűnik az alaszkai égboltról, és az 50. szélességi körtől délre jelenik meg. Időbeli egybeesés figyelhető meg a napfoltciklus és a sarki fényjelenségek gyakorisága között. Ennek az a magyarázata, hogy a napfoltciklusok leszálló ágában a Nap atmoszférájában, a koronában lyukak alakulnak ki, amelyekből nagy sebességű napszél áramok indulnak.

 

Az atomok és molekulák sugárzást bocsátanak ki, amikor az alsó ionoszférában beléjük ütköznek a Napból érkező, és a Föld mágneses tere által eltérített részecskék

11.10. ábra: Az atomok és molekulák sugárzást bocsátanak ki, amikor az alsó ionoszférában beléjük ütköznek a Napból érkező, a Föld mágneses tere által eltérített részecskék. Az ütközések gerjesztett atomokká darabolják a molekulákat, és ezek is sugárzást bocsátanak ki, miközben alacsonyabb energiaállapotba kerülnek. Az ütközések által kilökött elektronok újabb atomokat gerjesztenek, melyek szintén sugárzást bocsátanak ki (forrás: Tudomány, 1989).