Blixten — en imponerande kraft i atmosfären

TÄNK dig en av de mest imponerande yttringarna av otyglad kraft i världen — en blixt! De flesta människor har någon gång varit med om ett elektriskt oväder med alla dess skrämmande inslag: skyfall, bländande ljungeldar, öronbedövande åskknallar och den spända väntan på nästa urladdning.

Skulle du vilja veta mera om orsakerna till detta gåtfulla elektriska fenomen i atmosfären? Vad är det som händer under ett åskväder och som frambringar sådana oerhört imponerande krafter? Eftersom en blixt är en form av elektrisk verksamhet i atmosfären, måste vi veta något om luftens elektriska egenskaper för att kunna förstå var en blixt uppstår.

En elektrisk atmosfär

Den atmosfär som vi lever i har hög elektrisk laddning, fastän vi vanligtvis inte är medvetna om detta. Den elektriska spänningen i atmosfären är verkligen förvånansvärt stor. Vid klart väder stiger spänningen i luftskiktet närmast markytan med i genomsnitt 150 volt per meter. Luften är positivt laddad i förhållande till marken, och spänningen ökar ju högre upp man kommer.

Detta innebär att luften i huvudhöjd kan ha 250 volt högre spänning än vid markytan, om man står på en öppen plats, där det inte finns några byggnader eller träd. Varför känner vi då ingenting av denna spänning? Om strömmen vore tillräckligt stark, skulle en människa dödas, om hon fick elektrisk ström med denna höga spänning genom kroppen, men vi känner inte av den minsta gnista. Detta beror på att luften är en mycket god isolator. Vår hud är en ganska bra elektrisk ledare, som ger jämn spänningsfördelning i vår kropp. Det är bara med mycket känsliga instrument, vilka måste vara noggrant isolerade och avskärmade från andra föremål som kan ha elektrostatisk laddning, som man kan mäta spänningen i atmosfären.

Om spänningen skulle fortsätta att stiga i samma takt, skulle den vara 15.000 volt redan vid hundra meters höjd. Det finns emellertid en gräns för spänningsnivån. Denna gräns består i att luften på stora höjder, ovanför stratosfären, blir en elektrisk ledare. Vad är det som orsakar denna skillnad — att samma luft som är en så effektiv isolator vid markplanet blir en god ledare på hög höjd? Vi finner svaret i en företeelse som kallas jonisering.

Luftmolekyler, både kväve- och syremolekyler, är vanligtvis elektriskt neutrala. Detta innebär att den positiva laddningen i varje atomkärna exakt motsvaras av de negativa laddningarna i de elektroner som omger kärnan. Om en av elektronerna avlägsnas från sin bana, blir emellertid molekylen positivt laddad. Man säger då att molekylen är joniserad eller kortare uttryckt: en jon.

Denna jonisering kan uppstå av olika orsaker, men i den klara, lägre delen av atmosfären är det de kosmiska strålarna, vilka bombarderar oss från den yttre rymden, som är den främsta orsaken. Högenergipartiklar träffar luftmolekylerna med sådan kraft att elektroner stöts loss och positiva joner uppstår. De fria elektronerna kan då fästa sig vid andra molekyler, så att negativa joner uppstår. Vid så låga höjder som femtio kilometer frambringas tillräckligt med joner för att göra luften till en god ledare.

Detta elektriskt ledande luftlager kallas elektrosfären. Det har ibland betraktats som en del av jonosfären, men den benämningen avser egentligen de högre luftlagren på mer än hundra kilometers höjd, vilka återkastar radiovågor.

Marken är också en god ledare. I det fallet förmedlas strömmen av joner i lösning i grundvattnet. I en vattenlösning av ett mineral uppträder mineralet i form av joner. Vanligt koksalt ger då upphov till positiva natriumjoner och negativa kloridjoner. Gips bildar kalcium- och sulfatjoner. Allt grundvatten innehåller en varierande mängd lösta mineraler, och även i ganska torr mark finns det en viss fuktighet. På grund av att jordskorpans sammanlagda yta är så stor, är den därför en utmärkt ledare, fastän ett litet jordstycke inte kan leda så mycket ström.

Alla delarna i en god ledare måste hålla samma spänning i elektrostatiskt avseende. Om något händer som höjer spänningen i en punkt, kommer strömmen att flyta från denna punkt till delar med lägre spänning, till dess att skillnaden är utjämnad. Detta gäller både jorden och elektrosfären. Den lägre atmosfären är emellertid en isolator, som skiljer dessa två från varandra. Av den anledningen kan den stora spänningsskillnaden mellan dem bibehållas. Detta system utgör i själva verket en jättelik elektrisk kondensator, där jorden är negativt laddad och elektrosfären positivt laddad. Spänningen tvärs igenom den lägre atmosfären är i genomsnitt 300.000 volt. Detta värde varierar i hög grad under dygnets timmar och under årets månader.

Det finns ingen fulländad isolator. Med tillräckligt känsliga instrument kan man upptäcka en svag ström även i den lägre atmosfären. Den är svagt ledande på grund av ett litet antal kosmiska strålar, som tränger ner till marken. Jorden har ett överskott av elektroner, och dessa avges i en jämn ström från ett stort antal punkter på jordytan. Sådana punktvisa urladdningar inträffar vid spetsarna på trädens blad, vid spetsarna på grässtrån och till och med vid skarpa kanter på sandkorn. Människogjorda byggnadsverk, som når högre upp i luften, har förtätade elektriska fält vid de högsta punkterna och takhörnen, och urladdningen av elektroner är koncentrerad till sådana punkter. Hela jorden inberäknad utgör dessa små urladdningar till elektrosfären tillsammans en så stor ström att de skulle kunna urladda jorden fullständigt inom en timme. Det måste därför finnas någon laddningsmekanism, som får antalet överskottselektroner på jorden att bibehållas på rätt nivå. Det är i samband med detta som blixten spelar en avgörande roll.

Åskvädret en generator

Man kan se många olika slag av moln på himlen. De flesta är mer eller mindre platta och horisontella. De moln som emellertid väcker vår största beundran är de vackra, vita cumulusmolnen (stackmolnen), som tornar upp sig högt på den blå himlen likt jättestora blomkålshuvuden. Vid de rätta väderleksbetingelserna kan ett stort cumulusmoln fortsätta att växa tills det når tusentals meter upp i stratosfären, samtidigt som det breder ut sig nertill. Det blir då ett cumulonimbus, det vill säga ett åskmoln. När det är fullt utbildat, har dess översta del vidgats på ett plymliknande sätt, så att man kan se den karakteristiska formen av ett städ. Det är fortfarande vackert på avstånd, men för en person som befinner sig under åskmolnet ter det sig nu som en mörk, hotande molnmassa. Snart dränks marken därunder av ett skyfall, som ibland är uppblandat med hagel.

Det är denna typ av moln som frambringar ljungande blixtar och åskskrällar. Det liknar en elektrisk generator av jätteformat i atmosfären. Det kan torna upp sig i höjden mellan åtta och arton kilometer och kan täcka en yta av 3.000 kvadratkilometer. Det uppstår häftiga uppvindar och fallvindar inom molnet, och dessa för med sig vattendroppar och iskristaller i hastigheter mellan fyrtio och hundra kilometer i timmen. Ett oräkneligt antal partiklar av regn, is, snöblandat regn och hagel far upp och ner, medan molnet vrider sig och vänder sig och utvidgar sig med böljande rörelser.

Tyngdkraften påverkar naturligtvis hela tiden vattnet och isen, och på grund av den friktion som då uppstår, åtskils elektroner och joner på något sätt i kontaktytorna mellan luft, vatten och is. Laddningarna avlägsnas från varandra av de framrusande vindarna. Dessa för de positiva laddningarna till molnets övre del, medan regndroppar med negativa laddningar glider ner till dess nedre del. Spänningsskillnaden mellan molnets övre och nedre del fortsätter att öka, samtidigt som molnet når mognadsstadium. Slutligen börjar det ”brista i sömmarna”, när det når ett tillstånd med oerhört kraftig överladdning. Såsom i raseri söker molnet något sätt att frigöra sig från de hundratals millioner volt som det piskat fram inom sig. Den isolerande beskaffenhet som luften har kan bara motstå ett visst elektriskt tryck. Bristningsgränsen nås slutligen, och en bländande blixt reducerar dramatiskt spänningstillståndet.

Man har beräknat att antalet åskväder som samtidigt pågår över hela världen, oberoende av tidpunkt, är omkring 3.000. De flesta uppträder över land.

De flesta blixtar går inuti molnet, men den negativa laddningen, som ökat i molnets nedre del, blir till slut så mycket högre än jordens normala spänning att blixtar också går mot marken och för med sig elektroner till jorden. När molnet upplöses, går den positiva laddningen i dess övre del ut i elektrosfären. När det sedan blir vackert väder, tränger positiva joner genom atmosfären till jorden för att neutralisera dess negativa laddning, och negativa joner går upp i elektrosfären för att neutralisera dem. Kretsloppet är då fullbordat.

Hur en blixt blir till

Det är svårt att studera blixtar inom molnet; det är inte någon särskilt bekväm omgivning för vetenskapsmannen och hans ömtåliga instrument. Blixtar som går mot marken kan emellertid ses och fotograferas med höghastighetskameror, och på det sättet har vetenskapsmännen lärt sig mycket om förloppet då en blixt blir till. Låt oss här få presentera den bild man fått fram.

Genom laboratoriestudier av elektrisk jonisering av luft känner man till att en gnisturladdning utlöses när det elektriska fältet når en styrka på ungefär tre millioner volt per meter. Det som händer strax innan blixten ”slår ner” är att de få elektroner som alltid befinner sig i fritt tillstånd på grund av de kosmiska strålarnas inverkan drivs nedåt med sådan kraft vid detta volttal att de stöter loss andra elektroner från de neutrala molekyler som de träffar. Dessa drivs i sin tur upp till hög hastighet, stöter samman med andra molekyler och joniserar dem. På så sätt uppstår en hel lavin av elektroner, som rusar nedåt från den negativa laddningen i molnet och lämnar en svans av positiva joner bakom sig. Detta försvagar luftens motstånd och banar väg genom det isolerande skiktet för den blixt som nu håller på att bryta fram.

Kameror, som konstruerats för att frysa förloppet under tidsperioder som mäts i milliondels sekunder (mikrosekunder), visar att detta förlopp går stegvis. En ”ledarblixt”, som utvecklas stegvis, bryter fram ur molnet där luftens motstånd för ett ögonblick är svagare, och elektronlavinen rycker fram ungefär femtio meter. Sedan ”tappar den andan”, så att säga, och gör ett kort uppehåll, medan spänningen stiger i dess spets. Efter ungefär femtio mikrosekunder rycker den åter fram, kanske i en annan riktning, beroende på det omgivande motståndet i den joniserade luften. På så sätt öppnar dessa på varandra tätt följande förurladdningar steg för steg en bana av starkt joniserad luft, mellan en och tio meter bred, mot jorden.

Eftersom luften är mer joniserad på vissa ställen än andra, snor denna ledarblixt hit och dit i sin framrusande bana och ändrar riktning för att kunna utnyttja varje gynnsam framkomstmöjlighet. Blixten får det välbekanta gaffelliknande utseendet, när den på detta sätt skjuter i väg i den ena eller andra riktningen och söker sig fram längs olika grenar i sin strävan att alltid finna den lättaste banan till jorden. När den är mindre än femtio meter från sitt mål, skjuter en stråle upp från en gynnsamt belägen punkt på marken för att möta den. Strömkretsen är nu sluten! Molnet har fått en avtappningskanal för sin olidliga börda av överskottselektroner.

De elektroner som befinner sig närmast marken i denna kanal rusar först igenom och följs omedelbart av andra, som trycker på ovanifrån. Återblixten, som nu utstrålar ett intensivt ljussken, når molnet med en hastighet som närmar sig ljusets. Det tog kanske 20.000 mikrosekunder för ledarblixten från molnet att nå marken, men återblixten tillryggalägger denna sträcka på bara sjuttio mikrosekunder. En urladdning, som omfattar en strömstyrka mellan 10.000 och 20.000 ampere eller mer, sker nu från molnet under omkring fyrtio mikrosekunder. Under den korta tiden ger denna urladdning en effekt på tusentals millioner kilowatt — högre effekt än alla elektriska kraftstationer på hela jorden tillsammans. Detta är sannerligen en imponerande kraftuppvisning!

Denna delblixt slocknar snabbt, men detta är sällan slutet på förloppet. Blixtbanan genom luften finns kvar och är fortfarande starkt joniserad. Andra delar av molnet, som ännu är kraftigt laddade, skickar ut blixtar mot den del som har urladdats, och dessa fortsätter ner genom den kanal som ännu står öppen mot jorden. På så sätt uppstår vanligtvis tre eller fyra delblixtar i följd, som kommer så tätt på varandra att de uppfattas som en enda blixt. Ibland behövs det minst ett tiotal delblixtar för att urladda molnet.

På bara en femtedels sekund har alltså blixten fullbordat sitt verk. ”Nu återstår bara applåderna”, som man brukar säga. Applåderna i detta fall är åskdundret. Man kan höra en kort knall, ett skrällande eller ett dovt mullrande, beroende på vilket avstånd från blixten man befinner sig på. Ett smalt, slingrande, cylinderformat rör av luft med bara några centimeters grovlek har upphettats till mer än 30.000 grader Celsius i blixtbanan. Så snart strömmen upphör, utvidgar sig denna oerhört heta luftpelare explosivt med överljudshastighet. Tryckvågen, som uppstår under denna utvidgning, åstadkommer åskdundret, och detta kan höras så långt som tjugofem kilometer längre bort.

Du kanske undrar varför Skaparen ansåg det lämpligt att åstadkomma blixtar i moln. Gör de någon nytta? Ja, verkligen. De spelar en mycket väsentlig roll i kvävets kretslopp i naturen. Kväve är nödvändigt för liv, och det finns en omfattande reservoar av detta ämne i atmosfären. Levande varelser kan dock inte använda det direkt. Genom den intensiva hettan från en blixt splittras emellertid både kväve- och syremolekyler i atomer, och när de svalnar, bildar många av dem kväveoxider. Dessa föreningar löser sig i regndropparna och förs ner i jorden. Där omvandlas de till nitrat, som är oumbärligt för växtligheten. Detta är en av de mest betydande processerna när det gäller den naturliga bindningen av kväve. Man beräknar att hundratals millioner ton nitrat frambringas årligen genom åskväder.

Att leva med blixten

Det finns verkligen anledning att känna sig orolig när åskan går. Blixten besitter oerhörda, fördärvbringande krafter. Den splittrar träd och telefonstolpar, slår hål i tak och väggar, sätter i gång många skogsbränder och antänder hus. Det inträffar ofta, när ett träd träffas, att den elektriska strömmen är så kraftig att den på ett ögonblick förångar den fukt som finns i träet, och den extremt upphettade ångan spränger trädet i bitar.

Vi känner också väl till att blixten kan döda. Djur, som söker skydd under ett träd när åskan går, dödas ofta när blixten slår ner i trädet. Människor råkar ofta ut för samma öde, speciellt på badstränder och golfbanor. Ensamma träd på sådana platser är begärliga måltavlor för blixten. Om du råkar befinna dig utomhus under ett åskväder, bör du inte söka skydd under ett ensamstående träd. Om du befinner dig i skogen, bör du undvika höga träd. Undvik också trådstängsel, rörledningar och järnvägsspår. Det är säkrare att vara i en dalsänka än uppe på en höjd.

Om du bor i en trakt där det ofta förekommer elektriska oväder, gör du klokt i att skydda ditt hus med åskledare. För att vara effektiva måste dessa vara väl jordade. Spetsiga spröt anslutna genom kraftig tråd (isolerad från huset) till en väl nergrävd metallkabel eller metallplatta drar till sig blixten och leder den riskfritt ner i marken. Televisionsantenner och elektriska ledningar, som går in i huset, kan skyddas genom blixtskyddsanordningar (överspänningsskydd och ventilavledare).

Om du befinner dig i en bil eller på ett tåg under ett åskväder, behöver du inte alls oroa dig. Vagnens metallhölje, som omger dig, fördelar den elektriska strömmen och för den till marken. På liknande sätt befinner sig också passagerarna i ett flygplan i säkerhet, när åskan går. Det är inte så sällsynt att flygplan träffas, och ibland finner man att metallhöljet är genomborrat av små hål, men inte vid något tillfälle har det rapporterats att en flygolycka orsakats direkt av blixten. Naturligtvis utgör de häftiga virvelvindarna i samband med åskväder en fara, som en pilot gör klokt i att hålla sig på avstånd från.

Om du iakttar de här säkerhetsföreskrifterna, kan du känna dig lugn och njuta av den storslagna uppvisningen av Skaparens makt, när du nästa gång får bevittna ett åskväder. När du dessutom känner till något om hur blixten fungerar, bör detta öka din uppskattning av denna imponerande kraft i atmosfären.

[Tabell på sidan 21]

En normal blixt

Längd: 5 kilometer

Antal delblixtar: 3 eller 4

Högsta strömstyrka: 20.000 ampere

Spänning: 100.000.000 volt

Högsta effekt: 2.000.000.000 kilowatt

Varaktighet: 1/5 sekund

[Bild på sidan 18]

(För formaterad text, se publikationen

JORDATMOSFÄRENS ELEKTRISKA KRETSLOPP

Elektronflödets kretslopp!

Hög positiv laddning (underskott av elektroner)

Hög negativ laddning (överskott av elektroner)

Blixt

Jonström vid vackert väder

Låg positiv laddning (elektroner stöts bort av molnet)

Låg negativ laddning (överskott av elektroner)