A villámlás a bolygónkon közvetlenül megfigyelhető legnagyobb energiájú folyamat. Az ember tudatra ébredése óta csodálja és féli ezeket a kisüléseket, amelyeket sokáig természetfeletti erők munkájának tudtak be, de a tudomány is évszázadok óta próbálja leírni, pontosan mi is történik ilyenkor. Eredménytelenül.
„Igazából ez elég kínos – mondja Brian Hare villámkutató, egy most megjelent, a villámkialakulást boncolgató tanulmány társszerzője. – Ez a legnagyobb energiájú folyamat a földön, vallások épülnek rá, és fogalmunk sincs, hogyan működik.”
A tankönyvi magyarázat valami olyasmi, hogy „a villám kialakulása a felhők vízcseppjeinek, jégkristályainak súrlódására, széttöredezésére vezethető vissza, aminek következtében az elektromos töltések szétválnak a felhőn belül. A felhő felső felén a pozitív, alul a negatív töltések halmozódnak fel” – ahogy a Wikipedia szócikkében is szerepel. A felhőkben a nagyobb jégkristályok lefelé, míg a kisebbek felfelé haladnak, és ütközéseik következtében elektronok válnak le róluk. Ennek következtében a felhő felső része pozitív, az alsó negatív töltésűvé válik, a létrejövő elektromos mező pedig addig erősödik, míg végül egy hatalmas erejű kisülésre nem kerül sor.
Ezzel csak az az egy apró probléma van, hogy még soha senki nem figyelt meg ehhez elegendő erősségű elektromos mezőt a felhőkben. „Az emberek évtizedek óta léggömböket, rakétákat, repülőgépeket küldenek zivatarfelhőkbe, de még senki nem látott közel sem elég erős elektromos mezőt” – szögezi le Joseph Dwyer, a New Hampshire-i Egyetem fizikusa, a tanulmány egy másik szerzője. A különbség nagyjából tízszeres, tehát ez a modell sehogy nem képes megmagyarázni, mi történik valójában. „Igazi rejtély, hogy miként kezdődik a folyamat” – mondja Dwyer, aki bő két évtizedet szánt az életéből a villámok kialakulásának kutatására.
Nem felhősödött el a tekintetük
Most úgy tűnik, végre áttörést ért el. A villámok megfigyelésének egyik nehézségét ugyanis az az egyszerű tény jelenti, hogy a felhők nem átlátszóak. A villám keletkezése körüli pillanatokat még a legjobb kamerák sem képesek rögzíteni, ezért a kutatók egyetlen eszköze sokáig az volt, hogy különféle műszerekkel felszerelt tárgyakat küldtek be a viharfelhőkbe. Ezzel azonban az a gond, hogy egy idegen tárgy megjelenése maga is befolyásolja a folyamatot, például olyan szikrákat gerjesztenek, amelyek egyébként nem jönnének létre.
A megoldásra lehetőséget kínálnak a rádióteleszkópok, amelyek képesek az elektromos jelenségek gerjesztette rádiójelek detektálására. Ezeket a villámok detektálására felhasználni önmagában nem új ötlet, azonban az eddig villámmegfigyelésre használt rádiódetektorok nagyon alacsony felbontású felvételeket készítettek, illetve gyakran csak két dimenzióban rögzítették az adatokat.
Dwyerék ötlete az volt, hogy a több ezer kisebb méretű, nagyrészt Hollandia területén található rádióteleszkópból álló hálózat, a Low Frequency Array (LOFAR) érzékelőit használják fel a célra. Ez a rendszer az észlelt jeleket egyméteres pontossággal képes három dimenzióban elhelyezni, ráadásul 200-szor gyakrabban rögzít adatokat, mint a korábban erre használt eszközök.
A kutatóknak 2018 nyarán szerencséjük volt: egy hatalmas villám csapott le a LOFAR által lefedett területen, és a rendszer „végignézte” a folyamatot a kezdetektől a kisülésig. Az iszonyatos mennyiségű adat elemzése csak mostanra fejeződött be, a kutatók pedig egy látványos szimulációt is készítettek az észlelésből.
Elveszett elektronok nyomában
De mit is láttak Dwyerék? A rádiójelek mind a felhő egy nagyjából 70 méter átmérőjű, mélyen a légköri jelenség belsejében található részéből erednek. Ez pedig rögtön meg is erősítette a villámok kialakulásáról eddig versenyben lévő két, a tankönyvinél pontosabb elmélet egyikét, és ezzel egyben nagyrészt meg is cáfolta a másikat.
Utóbbi lényege az, hogy a folyamatot a kozmikus sugárzás keretében a Földet elérő részecskék indítják be, amelyek összeütköznek a viharfelhők elektronjaival, és ezzel lavinaszerűen erősödő láncreakciót hoznak létre.
A másik elmélet a felhőkben rajként összeverődő jégkristályokra vezeti vissza a folyamat kezdetét. A turbulens ütközések következtében a kristályokról elektronok válnak le, ennek következtében az egyes kristályok egyik vége pozitív, a másik negatív töltésűvé válik. A pozitív csúcs magához vonzza a környező levegő molekuláinak elektronjait, így egyre növekvő területen jönnek létre ionizált levegősávok, amelyek szalagként kapcsolódnak a kristályok csúcsaihoz. Ezeket nevezik streamereknek.
Minden kristályhoz számos ilyen, folyamatosan változó streamer kapcsolódik. Ezek aztán felmelegítik a környező levegőt, még több elektront szakítanak le a molekulákról, és egyre nagyobb feszültséget közvetítenek a kristályok felé. Végül aztán az egyik streamer annyira felmelegszik, és olyan jó vezetővé válik, hogy leaderré, azaz egy villámlás energiáját is elvezetni képes csatornává alakul.
„Pontosan ezt látjuk a felvételen” – állítja Christopher Sterpka, a tanulmány vezető szerzője. A rádióimpulzusok exponenciálisan szaporodnak, minden bizonnyal a streamerek megjelenése miatt. „Ezután a lavinaszerű terjedés megáll, és megjelenik a leader a közelükben, és maga a villám.” Sterpkáék az elmúlt hónapokban számos hasonló felvételt elemeztek, és mindegyik hasonló mintát követett, mint az első.
A jégkristályok kritikus szerepére utaló eredményeket jól alátámasztják azok az adatok is, melyek szerint a Covid-járvány első három hónapjában 10 százalékkal kevesebb villám alakult ki – a kutatók azt feltételezik, hogy az apró szennyezőanyag-részecskék számának csökkenésével kevesebb jégkristály alakult ki a felhőkben.
Fehér foltok
Persze a mostani tanulmány sem jelenti még a végső szót a villámok kialakulásának kérdésében. „A LOFAR felvételei egyértelműen óriási jelentőséggel bírnak” – szögezi le Ute Ebert, az Eindhoveni Műszaki Egyetem fizikusa, aki nem vett részt a kutatásban. Az összegyűjtött adatok végre megfelelő minőségűek ahhoz, hogy olyan pontos modelleket és szimulációkat lehessen a segítségükkel létrehozni, amelyeket a korábbi gyenge felbontású adatokból nem lehetett. Ebert azonban egy gyenge pontra is felhívja a figyelmet. A felvételen ugyanis a folyamatnak az az első, kritikus szakasza nem látható, ahogy a jégkristályok ionizálják a levegőt, csak az, ami ezután történik. „Honnan jön az első elektron? Hogyan kezdődik meg a kisülés egy jégkristály mellett?” – teszi fel a kérdést.
A kutatók nagy része az eredmények alapján elengedte a kozmikus sugárzás teóriát, ám az így beérkező nagy energiájú részecskék még mindig játszhatnak szerepet a villámlás kialakulásában azzal, hogy létrehozzák az első szabad elektronokat, amelyek aztán az első streamerek létrejöttéhez vezetnek. Az is vitatott, pontosan miként is lesznek a streamerekből leaderek.
Dwyer abban bizakodik, hogy hamarosan tisztábban láthatnak majd ebben a kérdésben is. „Megpróbáljuk megfigyelni az első kis szikrákat, amelyek kipattannak a kristályokból, és ezzel a kialakulási folyamatot a legelején elkapni” – mondja.
Ha ez sikerülne is, ettől még nem maradnának a kutatók munka nélkül. „Nem tudjuk, hogyan terjed és nő – sorolja csak a főbb megválaszolatlan kérdéseket Hare. – Nem tudjuk, hogyan kapcsolódik a talajhoz.”
A sok homályos pont ellenére abban minden szakértő egyetért, hogy a LOFAR eredményei egy régóta esedékes, nagy előrelépést jelentenek egy évszázadok óta kutatott jelenség megértésében. Talán nincs már messze a pont, amikor az emberiség végre kimondhatja, van egy olyan elméletünk, ami Zeuszt és társait a történetből kihagyva is képes teljes magyarázatot nyújtani a villámok működésére.
