Salama – taivaan pelottava luonnonvoima

AJATTELEHAN yhtä maailman pelottavimmista valjastamattoman voiman purkauksista – salaman iskua! Useimmat ihmiset ovat joskus kokeneet sähkömyrskyn kaikkine pelottavine piirteineen: kaatosadetta, sokaisevan kirkkaita valon leimahduksia, ukkosen jyrinää ja seuraavan iskun huolestunutta odotusta.

Haluaisitko tietää, mikä saa aikaan tämän salaperäisen sähköilmiön taivaalle? Mitä tapahtuu ukonilmalla, joka kehittää sellaisia valtavia pelkoa herättäviä voimia? Koska salama on ilmakehässä tapahtuva sähköilmiö, meidän täytyy tuntea hieman ilman sähköisiä ominaisuuksia käsittääksemme, mistä salama saa alkunsa.

Sähköinen ilmakehä

Meitä ympäröivällä ilmakehällä on voimakas sähkövaraus, vaikka se jääkin meiltä yleensä huomaamatta. Ilmakehän sähkövaraus on tosiaan hämmästyttävän korkea. Kirkkaalla säällä maan pinnasta ylöspäin mitattuna jännite kohoaa keskimäärin noin 150 volttia jokaisella metrillä. Ilmalla on positiivinen varaus maahan nähden, ja mitä korkeammalle mennään, sitä suurempi on sähköjännite.

Se merkitsee sitä, että pääsi korkeudella olevassa ilmassa voi olla 250 volttia enemmän kuin maan pinnassa, jos seisot aukealla paikalla eikä lähelläsi ole rakennuksia tai puita. Miksi emme sitten tunne sellaisen sähköjännitteen vaikutusta? Jos on riittävästi virtaa, ihminen voisi saada kuolettavan sähköiskun näin korkeasta jännitteestä, mutta me emme tunne siitä pienintäkään merkkiä. Se johtuu siitä, että ilma on niin hyvä eriste. Ihomme johtaa verrattain hyvin sähköä, ja sen ansiosta ruumiissamme on tasainen jännite. Vain erittäin herkillä välineillä, jotka on huolella eristetty ja suojattu sellaisesta, missä saattaisi olla sähköstaattista varausta, voidaan mitata ilmakehässä olevaa jännitettä.

Jos jännite kasvaa jatkuvasti tällä tavalla, se olisi jo 15000 volttia vain sadan metrin korkeudessa. Suuremmissa korkeuksissa vallitsevat olosuhteet kuitenkin rajoittavat jännitettä, sillä stratosfäärin yläpuolella oleva ilma alkaa johtaa sähköä. Mistä tällainen erilaisuus johtuu – sama ilma, joka maan pinnassa on hyvä eriste, alkaakin taivaan korkeuksissa johtaa hyvin sähköä? Ionisoitumisilmiö antaa vastauksen.

Ilman molekyylit, sekä typpi- että happimolekyylit, ovat tavallisesti neutraaleja. Se merkitsee sitä, että jokaisen atomin ytimen positiivinen varaus on täysin tasapainossa ydintä kiertävien elektronien negatiivisen varauksen kanssa. Mutta jos yksi elektroneista poistetaan kiertoradaltaan, molekyyliin jää positiivinen varaus. Silloin me sanomme, että molekyyli on ionisoitunut. Tai lyhyemmin sanottuna se on ioni.

Erilaiset tekijät saattavat johtaa tällaiseen ionisoitumiseen, mutta avaruudesta tulevat kosmiset säteet, jotka pommittavat meitä, ovat alempana kirkkaassa ilmakehässä tapahtuvan ionisoitumisen pääasiallinen aiheuttaja. Erittäin energiapitoiset hiukkaset iskeytyvät ilmamolekyyleihin sellaisella voimalla, että elektronit irtoavat ja jäljelle jää positiivisia ioneja. Vapaat elektronit saattavat liittyä toisiin molekyyleihin ja muodostaa negatiivisia ioneja. Jo 50 kilometrin korkeudessa syntyy niin paljon ioneja, että siellä oleva ilma johtaa hyvin sähköä.

Tätä sähköä johtavaa ilmakerrosta kutsutaan elektrosfääriksi. Sitä on pidetty joskus ionosfäärin osana, mutta viimeksi mainittuun sisältyvät paremminkin ylemmät, sadan kilometrin yläpuolella olevat kerrokset, jotka heijastavat radioaaltoja.

Myös maaperä johtaa hyvin sähköä. Tällöin pohjaveteen liuenneitten aineitten ionit johtavat sähkövirtaa. Kaikki veteen liuenneet mineraalit ovat ionien muodossa. Niinpä ruokasuolasta muodostuu positiivisia natrium-ioneja ja negatiivisia kloori-ioneja. Kipsistä muodostuu kalsium- ja sulfaatti-ioneja. Kaikki pohjavesi sisältää enemmän tai vähemmän liuenneita mineraaleja, ja jopa jokseenkin kuiva maa-aineskin on yhä hieman kosteaa. Vaikkei pieni maakokkare saattaisikaan johtaa paljon virtaa, maankuori kokonaisuudessaan on niin valtavan laaja, että se johtaa erinomaisesti sähköä.

Hyvän sähkönjohtimen kaikissa osissa täytyy vallita samanlainen sähköstaattinen jännite. Kun jännite jostakin syystä nousee jossakin kohdassa, virta kulkee siitä niihin kohtiin, joissa on matalampi jännite, kunnes jännite tasaantuu. Tämä pitää paikkansa maastakin. Se pitää paikkansa myös elektrosfääristä. Mutta alempi ilmakehän osa toimii eristeenä, joka erottaa nämä kaksi toisistaan. Se mahdollistaa suuren jännite-eron säilymisen niiden välillä. Tämä järjestelmä on itse asiassa jättimäinen kondensaattori, jossa maa on negatiivinen ja elektrosfääri on positiivinen. Koko ilmakehän jännite on keskimäärin noin 300000 volttia. Tämä luku vaihtelee huomattavasti vuorokauden tuntien ja vuoden kuukausien mukaan.

Ei ole olemassa täydellistä eristettä. Jopa ilmakehän alemmassa osassa voidaan riittävän herkillä mittausvälineillä todeta hyvin pieni sähkövirta. Se johtaa heikosti sähköä, sillä jonkin verran kosmista säteilyä tunkeutuu maahan saakka. Maassa on ylimääräisiä elektroneja ja niitä virtaa pois alinomaa lukemattomista kohdista maan pinnalla. Purkautumista tapahtuu puitten lehtien kärjistä, heinänkorsien päistä ja jopa hiekkajyvästen terävistä kulmista. Korkealle ilmaan kohoavien ihmisten tekemien rakennusten huippujen ja katon nurkkien ympärille muodostuu sähkökenttiä, ja elektronien purkautuminen keskittyy sellaisiin kohtiin. Kun kaikki tällaiset maapallolla tapahtuvat hyvin pienet purkaukset lasketaan yhteen, niistä muodostuu niin suuri kokonaisvirta, että maan sähkölataus purkautuisi elektrosfääriin vajaassa tunnissa. Niinpä täytyy olla olemassa jokin latausmekanismi, jotta maan elektronivaraus säilyisi. Tässä vaiheessa salama tulee mukaan kuvaan.

Ukonilma generaattorina

Me näemme taivaalla monenlaisia pilviä. Useimmat niistä ovat enemmän tai vähemmän litteitä ja vaakatasossa. Mutta eniten me ihailemme kauniin valkoisia cumuluspilviä, jotka kohoavat kuin jättimäinen kukkakaali korkealle sinisellä taivaalla. Otollisen sään vallitessa suuri cumuluspilvi kasvaa jatkuvasti ja kohoaa tuhansia metrejä ylöspäin kohti stratosfääriä samalla kun sen alaosa leviää sivuille. Näin siitä kehittyy cumulonimbus- eli ukkospilvi. Täysin kehittyneen pilven huippu paisuu niin, että se muistuttaa alasinta. Kaukaa katsottuna ukkospilvi näyttää vielä kauniilta, mutta sille, joka on sen alla, se näyttää nyt tummalta, uhkaavalta pilvimassalta. Pian sataa kaatamalla, joskus rakeensekaista vettä, ja maa kastuu likomäräksi.

Tällainen pilvi synnyttää salamoita ja ukkosen jyrinää. Se on kuin jättimäinen taivaalla oleva sähkögeneraattori, joka ulottuu 8–18 kilometrin korkeuteen ja kattaa jopa 3000 neliökilometrin laajuisen alueen. Pilven sisällä tapahtuu rajuja nousevia ja laskevia virtauksia, jotka kiidättävät sadepisaroita ja jääkiteitä 40–100 kilometrin tuntinopeudella. Lukematon määrä sade-, jää-, räntä- ja raehiukkasia sinkoilee ylös ja alas, samalla kun pilvi kiemurtelee, kääntyilee, aaltoilee ja paisuu.

Maan vetovoima tietenkin vetää puoleensa vettä ja jäätä, ja jollakin tavoin näin syntyvä kitka irrottaa ilman, veden ja jään välisistä pinnoista elektroneja ja ioneja. Rajut tuulet erottavat varaukset toisistaan. Ne kuljettavat positiiviset varaukset pilven yläosaan ja samanaikaisesti negatiivisesti varautuneet vesipisarat putoavat pilven pohjalle. Sitä mukaa kuin pilvi kypsyy, kasvaa sen huipun ja pohjan välinen jännite-ero. Lopulta se on ”räjähdyspisteessä” suunnattomasti varautuneena. Pilvi yrittää epätoivoisesti päästä jotenkin eroon niistä sadoista miljoonista volteista, joita se on kuohuttanut sisällään. Ilman eristyskyky ei enää riitä tällaisessa sähköisessä paineessa. Lopulta se murtuu, ja paine purkautuu dramaattisesti sokaisevankirkkaaseen salaman välähdykseen.

Joka hetki eri puolilla maapalloa riehuu arviolta 3000 ukonilmaa. Useimmat niistä sattuvat mantereiden yllä.

Sen lisäksi että pilven sisäinen salamointi on runsasta, pilven alaosaan syntynyt negatiivinen varaus on niin paljon maan normaalia jännitettä voimakkaampi, että salama iskee myös maahan ja siirtää siihen elektroneja. Kun pilvi hajoaa, sen yläosan positiivinen varaus hakeutuu elektrosfääriin. Poutasäällä positiiviset ionit virtaavat sitten ilmakehän läpi maahan neutraloimaan sen negatiivista varausta ja negatiiviset ionit kohoavat elektrosfääriin neutraloimaan positiivisia varauksia. Näin ympyrä on sulkeutunut.

Kuinka salama syntyy

Salamaa on vaikea tutkia pilven sisällä, eikä se muodosta kovin viihtyisää ympäristöä tiedemiehelle ja hänen herkille kojeilleen. Mutta maasta käsin salama voidaan nähdä ja valokuvata huippunopeilla kameroilla, ja näin tiedemiehet ovat hankkineet paljon tietoa siitä, miten salaman välähdys vaiheittain syntyy. Tiedoista hahmottuu seuraavanlainen kuva.

Laboratoriossa on tutkittu ilmassa tapahtuvaa sähköistä läpilyöntiä, ja salamanleimahduksen tiedetään alkavan silloin, kun sähkökentän voimakkuus nousee noin kolmeen miljoonaan volttiin metriä kohti. Seurauksena on, että muutamat elektronit, joita on aina vapaana kosmisen säteilyn vaikutuksesta, iskeytyvät tällaisen jännitteen vallitessa neutraaleja molekyylejä vastaan sellaisella voimalla, että niistä irtautuu lisää elektroneja. Nämä vuorostaan joutuvat kiihtyvään liikkeeseen ja törmäävät taas uusiin molekyyleihin, jotka ionisoituvat. Näin syntyy todellinen elektronien vyöry, joka liikkuu pois pilven negatiivisesta varauksesta jättäen peräänsä positiivisista ioneista muodostuneen vanan. Tämä heikentää ilman vastusta, ja sen eristävään kerrokseen puhkeaa reitti kehittyvälle salaman iskulle.

Kamerat, joilla kuvattava liike voidaan pysäyttää sekunnin miljoonasosiin (mikrosekunteihin), osoittavat sen tapahtuvan vaiheittain. Esipurkaus murtautuu ulos pilvestä sellaisessa kohdassa, jossa ilman vastus on heikentynyt tilapäisesti, ja elektronit etenevät ryöppynä noin 50 metriä. Sen jälkeen purkaus ”hengästyy”, jos niin voidaan sanoa, ja pitää tauon samalla kun jännite sen kärjessä kasvaa. Noin 50 mikrosekunnin jälkeen se jälleen murtautuu eteenpäin, ehkä toiseen suuntaan sen mukaan millainen ionisoituneen ilman vastus sillä kohtaa sattuu olemaan. Näin askel askeleelta perättäiset purkaukset avaavat voimakkaasti ionisoituneen ilman muodostaman yhdestä kymmeneen metriä leveän maahan johtavan reitin.

Koska ilma on toisin paikoin ionisoituneempaa, reittiään puhkova esipurkaus mutkittelee ja kääntyilee käyttäen hyväkseen kaikkia suotuisia muutoksia. Salama saakin tutun monihaaraisen muotonsa juuri siksi, että se syöksyy suunnasta toiseen ja tutkii eri reittejä etsien helpointa maahan johtavaa tietä. Kun se pääsee vajaan 50 metrin päähän tavoitteestaan, sopivasta kohdasta maasta kohoaa ylöspäin sähköpurkaus, joka kohtaa sen. Virtapiiri on näin sulkeutunut! Pilvellä on nyt kanava, jota pitkin se purkaa kestämättömän suuren ylimääräisten elektronien lastinsa.

Ne elektronit, jotka ovat kanavassa lähinnä maata, syöksyvät ensin eteenpäin ja niiden takana tungeksineet elektronit syöksyvät heti perässä. Kirkkaana hehkuva vastapurkaus lähestyy pilveä miltei valon nopeudella. Jos esipurkaukselta kului matkaan ehkä 20000 mikrosekuntia, niin vastapurkaus suoriutuu samasta matkasta vain 70 mikrosekunnissa. Nyt pilvi purkaa virtaa 10000–20000 ampeeria tai enemmänkin ehkä 40 mikrosekunnin ajan. Tässä lyhyessä ajassa se kehittää miljardien kilowattien tehon – joka on suurempi kuin maailman kaikkien sähkövoimaloitten teho yhteensä. Se on totisesti pelkoa herättävä voimannäyte!

Purkaus on pian ohi, mutta koko tapahtuma harvoin päättyy siihen. Salaman kulkukanava ilman halki on jäänyt jäljelle ja se on yhä voimakkaasti ionisoitunut. Toiset pilven osat, joissa on yhä voimakas varaus, kiitävät tyhjiin purkautuneelle alueelle ja niiden varaukset siirtyvät vielä avoinna olevaan maahan johtavaan kanavaan. Niinpä yleensä 3 tai 4 purkausta seuraa toisiaan niin lyhyin väliajoin, että ne näyttävät yhdeltä salamalta. Joskus pilvessä olevan varauksen purkautumiseen tarvitaan toistakymmentä purkausta.

Salaman leimahdus on ohi vain sekunnin viidesosassa. Mutta ”perästä kuuluu”, sanotaan. Se mikä tässä tapauksessa kuuluu, on ukkonen. Saatat kuulla rätinää, jylinää tai jyrinää riippuen siitä, miten kaukana olet salamasta. Salama kuumentaa vain parin senttimetrin paksuisessa koukeroisessa kanavassa olevan ilman yli 30000 asteeseen. Heti kun virta on mennyt, tämä ylikuumennut ilmapatsas laajenee räjähdysmäisesti ääntä nopeammin. Laajentumisesta aiheutuva sysäysaalto synnyttää jyrinän, joka saattaa kuulua jopa 25 kilometrin päähän.

Saatat ihmetellä, miksi Luoja näki hyväksi tehdä salaman pilviin. Onko siitä mitään hyötyä? Siitä on todella hyötyä. Sillä on ensiarvoisen tärkeä osa luonnossa tapahtuvassa typen kiertokulussa. Typpi on välttämätöntä elämälle, ja sitä on ilmakehässä valtavat varastot. Ihmiset ja eläimet eivät kuitenkaan voi käyttää sitä sellaisenaan. Mutta salaman synnyttämässä voimakkaassa kuumuudessa typpi- ja happimolekyylit hajoavat atomeiksi, ja jäähtyessään monet niistä yhdistyvät typpioksideiksi. Sade liuottaa nämä yhdisteet ja tuo ne alas maahan. Siellä ne muuttuvat nitraateiksi, jotka ovat kasvien kasvulle välttämätöntä lannoitetta. Tämä on yksi tärkeimmistä tavoista typen sitomiseksi luonnossa. Ukonilmojen ansiosta arvioidaan vuosittain syntyvän satoja miljoonia tonneja nitraatteja.

Rinnakkaiseloa salaman kanssa

Voit todella syystä tuntea itsesi levottomaksi, kun alkaa salamoida. Sillä on valtavan suuri tuhovoima. Salama silpoo puita ja puhelinpylväitä, puhkoo talojen kattoja ja seiniä ja sytyttää metsiä ja rakennuksia tuleen. Kun se osuu puuhun, niin sähkövirta on usein niin voimakas, että puun kosteus höyrystyy heti ja ylikuumennut höyry kirjaimellisesti räjäyttää puun kappaleiksi.

On selvää, että salama voi myös tappaa. Ukonilmalla puun alta suojaa etsivät eläimet saavat usein surmansa sähköiskusta, kun salama osuu puuhun. Erityisesti rannoilla ja golfkentillä olevat ihmiset kokevat usein saman kohtalon. Yksinäiset puut sellaisissa paikoissa ovat salamaniskun todennäköisiä kohteita. Jos ukonilma yllättää sinut ulkona, älä etsi suojaa yksinäisen puun alta. Jos olet metsässä, älä mene korkeitten puitten alle. Varo metallilanka-aitoja, putkistoja ja ratakiskoja. Notkossa on turvallisempaa kuin kukkulalla.

Jos asut alueella, jossa on usein ukonilmoja, sinun voi olla viisasta suojata kotisi ukkosenjohdattimilla. Ne täytyy maadoittaa hyvin, jotta ne olisivat tehokkaita. Teräväkärkiset ukkosjohtimet, jotka on liitetty paksujen (talosta eristettyjen) johtojen välityksellä syvälle haudattuun metallikaapeliin tai -levyyn, vetävät salamaa puoleensa ja johtavat sen vaarattomasti maahan. Televisioantennit ja taloon tulevat sähköjohdot voidaan varustaa salamaa vastaan ukkossuojilla.

Jos olet autossa tai junassa ukonilman sattuessa, sinulla ei ole mitään hätää. Auton metallikuori hajottaa sähkövirran ja johtaa sen maahan. Lentokoneen matkustajat ovat samalla tavalla suojassa salamalta. Se iskee kyllä usein lentokoneeseen, ja joskus metallikuoreen syntyy pieniä reikiä, mutta tiedossa ei ole yhtään sellaista tapausta, jossa nimenomaan salama olisi koitunut lentokoneen turmaksi. Ohjaaja tietenkin pysyttelee viisaasti etäällä ukonilmoilla syntyvistä raivokkaista pyörretuulista, joista voisi koitua vaaraa.

Kun ukonilma seuraavan kerran riehuu alueellasi ja olet ryhtynyt näihin varotoimiin, voit rentoutua ja nauttia tästä Luojan voiman mahtavasta ilmentymästä. Ja kun olet päässyt hieman perille salaman luonteesta, pitäisi arvostuksesi lisääntyä tätä taivaan pelottavaa luonnonvoimaa kohtaan.

[Taulukko s. 10]

Tyypillinen salama

Pituus: 5 kilometriä

Purkauksia salamaa kohden: 3 tai 4

Huippuvirta: 20000 ampeeria

Jännite: 100000000 volttia

Huipputeho: 2000000000 kilowattia

Kestoaika: 1/5 sekuntia

[Kaavio s. 9]

(Ks. painettu julkaisu)

SÄHKÖN KIERTOKULKU MAASSA JA ILMAKEHÄSSÄ

ELEKTRONIVIRTA – KIERTOKULKU

VOIMAKKAASTI POSITIIVINEN (ELEKTRONIEN VAJAUS)

VOIMAKKAASTI NEGATIIVINEN (YLIMÄÄRÄISIÄ ELEKTRONEJA)

SALAMA

IONIVIRTAUS POUTASÄÄLLÄ

LIEVÄSTI POSITIIVINEN (PILVEN KARKOTTAMIA ELEKTRONEJA)

LIEVÄSTI NEGATIIVINEN (YLIMÄÄRÄISIÄ ELEKTRONEJA)