Äike (0)

Välgu saladused
Taevatähtede ja äikese mõistatused on läbi aastatuhandete olnud tõukejõuks nii müütidele ja religioonidele kui ka teadusele.Tähtede asendeid ja liikumist õpiti mõõtma juba antiikajal ning sealt sai alguse teaduslike meetodite areng.Äikest ei osatud mõõta, ja see jäi kauaks mütoloogia pärusmaaks. Ka äikese olemus jäi mõistatuseks nii kauaks, kuni teadmiste piiratus ei võimaldanud näha analoogiat vägeva äikese ja merevaigu hõõrumisega kaasneva vaevukuuldava praksumise vahel.
Atmosfääri uurimise algus
1708. aastal püüdis Inglise teadlane William Wall saadamerevaiku hõõrudes võimalikult pikki sädemeid ja avaldas tolleaegses juhtivas teadusajakirjas prohvetliku väite : "...näib, et nende olemus on sama kui välgul. " Walli artiklile ei järgnenud tõsisemaid uurimistöid, kuni USA kuulus teadlane ja poliitik Benjamin Franklin kirjeldas 1750.aastal sõbrale saadetud kirjas katse plaani, mille kohaselt torni otsa ehitatud putkasse tuuakse 6-9 meetri pikkuse terava otsaga varda küljest üheldustraat. Vardaga elektriliselt ühendatud ja maast isoleeritud pingil seisev teadlane peaks proovima kas äikese ajal saab tema sõrmedest sädemeid. Franklin avaldas kirjas arvamust, et katse pole ohtlik. Kartliku teadlase jaoks lisas ta eraldi nõuande seista põrandal ja kastuada varda külge viivat traati mitte sõrmega, vaid isoleeritud käepideme külge kinnitatud ja teisest otsast maandatud traadiga . Nii kavatseski teha Vene akadeemik George Wilhelm Richmann 6. augustil (vana kalendri järgi 26.juulil) 1753.aastal Peterburis, küll mitte tornis, vaid enda koduses laboratooriumis. Katse lõppes Richmanni hukkumisega.Enne seda oli Franklini poolt soovitatud katse juba õnnelikult korda läinud ühel Prantsuse teadlasel ja 1752. aasta juunis ka Franklinil endal.
Benjamin Franklin ( 1706-1790) on tuntud ka kui üks Ameerika Ühendriikide iseseisvumise juhtidest ja tema pilt ehib sajadollarilist rahatähte. Baltisaksa päritolu Georg Richmann ( 1711 -1753) oli sündinud Pärnus, veetnud poisipõlve Tartus ja õppinud hiljem Tallinna gümnaasiumis, Saksa ülikoolides ja Peterburi Akadeemias .
Juba atmosfäärielektri teaduse sinniaastal- 1752 - pani prantslane Louis Guillaume Le Monnier püsti kümmnemeetrise puust masti ja selle külge isoleeritud teraviku. Le Monnier´d huvitas, kui kaugel äikesepilvest on võimalik elektrilaengut registreerida.Nõrk elekter ei anna sädet ja Le Monnier kontrollis elektrilaengut selle järgi, kuidas varda küljest tulev traat tolmu külge tõmbab. Ühel selgel juunikuu päeval ei olnud pilvi lähemas ega kaugemas ümbruses, kuid traat tõmbas ikka tolmu külge. Le Monnier asus varda elektriseerumist igapäevaselt registreerima ja tema Prantsuse Teaduste Akadeemia Toimetistes ilmunud artikkel märgib regulaarsete atmosfäärielektriliste mõõtmiste algust.
18. sajandi keskpaigani arvati, et õhk on ideaalne isolaator ja elekter võib seda läbida ainult sädeme kujul.Le Monnier´ avastus tähendas muud: elekter tuleb taevast ka sädemeta. Esimese mõõteriista nõrga staatilise elektri mõõtmiseks ehk elektromeetri ehitas aga G. W. Richmann Peterburis 1744. aastal. Selle abil tegi ta kindlaks, et õhk juhib alati vähesel määral elektrit. Mõni tema hilisemat kinnitust leidnud tähelepanekutest väärib erilist äramärkimist. Tehes katseid erinevates tingimustes, tähendas Richmann, et kuiv õhk ei ole sugugi parem isolaator kui niiske õhk ning graniitkivist palees juhib õhk elektrit kui puitmajades. Tänapäeval seletatakse viimast tähelepanekut asjaoluga, et garniit sisaldab võrreldes puiduga rohkem radioaktiivseid aineid.
Richmanni avastus unustati. 1785. aastal tegi Coulomb ´i seaduse autor prantslane Charles Augustin de Coulomb katseid varemtuntuist paremate elektromeetritega ja avastas uuesti õhu elektrijuhtivuse. Olgugi publitseeritud Prantsuse Teaduste Akadeemia Toimetistes, jäi ka tema avastus pea sajaks aastaks unustusse.
Välk ja müristamine
Välk on suur elektrisäde. See tekib ainult äiksesepilvedes. Ka põuavälk , mille sähvatust võib vahel näha öises pilvitus taevas, pärineb pilvest. Äike on siis nii kaugel, et pilve pole näha ja müristamine pole kuulda.
Sädeme tekitamiseks on tarvis seda kõrgemat pinget, mida suurem on kaugus elektroodide vahel. Laboratoorses katses tekib säde tasaste plaatide vahel juhul, kui pinge on 30 kilovolti ühe sentimeetri kohta. 30 kV on ligikaudu tuhat korda suurem pinge amplituudist seinakontaktis ning vaid kümme korda väiksem pingest võimsas kõrgepingeliinis. Kolmekilomeetrise välgu kohta annaks meie arvutus ligikaudu 10 000 megavolti, mis on uskumatult suur number. Terve mõistuse skeptitsism on siinkohal õigem kui lihtartimeetika. Kui säde on atmosfääris kord alguse saanud, siis suudab ta edeneda ka oluliselt väiksema pige korral. Tegelik pinge välgu otste vahel ulatub vaid 1000 megavoldini, mis on lihtartimeetrika tulemusest u kümme korda väiksem. See ületab aga inimese saavutusi, 30 megavolti näiteks National Electrostatic Corporation ´i Pelletron- kiirendis, ikkagi mitmekümnekordselt.
Müristamine on küll muljetavaldav ja hirmu tekitav nähtus, kuid üsnagi kahjutu ning lihtsalt uuritav ja seletatav. Ligikaudu kolmesentimeetrise läbimõõduga välgukanalis kuumeneb õhk silmapilkselt kuni 30 000 kraadini, mis on märksa enam kui lõhkeaine plahvatuses. Paisuva õhu lööklaine on tugev pauk . Välk kestab murdosa sekundist, müristamine aga mitu sekundit. Vahel arvatakse naiivselt, et müristmine muudab pikaajaliseks pilvedevahelise kaja . See ei pea paika. Pilved on hõredaad ja kuigi kaja nendelt on sonariks nimetatud ülitundliku aparatuuri abil registreeritav, jääb see inimese kõrvale märkamatuks. Kontrollis võib teha paugu pilvise taeva all ja oodata , kas kajab. Müristamine venib pikale hoopis lihtsal põhjusel. Välk on haruline ja mitu kilomeetrit pikk ning pauk jõuab tema ühest otsast vaatlejani mitu sekundit hiljem kui teisest otsast.
Välgu voolutugevus ja võimsus on imposantsed, kuid inimese poolt järele tehtavad. Voolutugevus jääb tavaliselt 100 kiloampri piiridesse ja saavutab väga harva 200 kA. 1000 megavolti ja 100 kA teeb võimsuseks 100 gigavatti, mis ületab küll paljukordselt maalima suurimat elektrijaama(Kolme Kuristiku Tamm Hiinas: 18, 2 GW), kuid jääb pea tuhat korda alla Michigani ülikooli 40 000- gigavatisele HURCULES- laserile. Paradoksi seletab kestus. Välk kestab vaid kümnendiksekundit ja tema koguenergia jääb tavaliselt alla megavatt-tunni, HERCULES-laseri välge aga kestab kõigest kolm korda kümme astmes miinus neliteist sekundit ja hiigelvõimsusele vaatamata on koguenergia väiksem kui fotoaparaadi välklambi sähvatusel. Välgu energia kütab tema kanali kogupikkuses õhku ja piksevardasse püütudvälgu energiat pole võimalik kasutada ühte protsentigi. On üsnagi selge, et välkude püüdmine energia saamiseks ei ole tasuv ettevõtmine. Välke püütakse vaid nende uurimise eesmärgil.
Välgu enegiaallikas on tõusev õhuvool, mille algpõhjus on õhu soojendamine maapinna poolt. Soe õhk on kergem ja tõuseb üles. Kui veeaur hakkab tõusvas õhuvoolus kondenseeruma, siis eraldub veel lisasoojust ja protsess läheb laviinina käima. Äikesepilve keskel vertikaalselt üles puhuv tuul kiirusega kuni 50 meetrit sekundis võib kanda hõljuvas olekus poolekiloseid raheterasid. Vertikaaltuul käivitabki pilve staatilise elektri generaatori, mille mehhanism on üsna keeruline. Enamus suuri rehaterasid ja tilku kannavad negatiivset nig väikesed tilgad positiiviset laengut. Tuul viib positiivse laebgu vastu elektrijõudu üless kuni elektriväli kasvab nii tugevaks , et algab äike.
Välgud on mitmekesised ja keerukad mitte ainult väliskujut , vaid ka füüsikalise mehhanismi ja struktuuri poolest. Välgu uurimused moodustavad kõige suurema osa atmosfäärielektri teadusest. Scholar. google.com annab küsimusele teadusartiklitest, mille pealkirjas on sõna välk u 12 500 vastust, samal ajal, kui sõna äike pealkirjadest otsides saab vastuseid kõigest u 850 korda.
Kõige lihtsam välgu uurimise meetod on pika säriajaga pildistamine öösel. See annab küll ilusaid pilte, kuid vähe informatsiooni välgu olemuse mõistmiseks. Lihtne meetod on ühendada piksevarras maaga mitte otse, vaid läbi elektrivoolu registreerimise seadme ja jääda välku ootama. Paraku võib see ootamine kujuneda õige pikaks. Eestis tuleb aastas ühe ruutkilomeetri kohta keskeltläbi üks välk ja tavaliselt piksevarrast kasutades võibki ootama jääda. Välkude tõsisema uurimise algusaastail olid atmosfäärifüüsikute meeliskohad Eiffeli torn Pariisis ja Empire State Building New Yorgis . Tänapäeval eelsitatakse aparatuur madalal asuvasse vaatlusjaama valmis seada ja välk teadlastele sobival hetkel kohale meelitada. Selleks oodatakse soodsat momenti , tavaliselt veidi pärst äikesevihma vaibumist, ja lastakse vertikaalselt üles väike rakett , mis veab enda järel peenikest traati. Nii saadakse pikk ja efektiivne piksevarras ning välgulöök on peaaegu kindel . Välgu parameetrid registreeritakse ostsillograafe ja kaameraid sisaldava keerulise aparatuuri abil.
Enamik välkudest algavad ja lõppevad äikesepilves ning nad ei põhjusta muud kui valgusesähvatust, müristamist ja keemilisi reaktsioone. Välgud oksüdeerivad aastas u 3 tonni lämmastikku, mis on üle ühe protsendi lämmastiku bioloogilisest ringlusest. Veerand välkudest ulatuvadmaapinnani.90 protsenti (põhjamaises Eestis veidi vähem) pilve ja maa vahelistest välkudest kannab maapinnale negatiivset elektrilaengut ja neid nimetakse negatiivseteks välkudeks. Tavaline välk algab pilves ja levib siksakiliselt mõnekümne meetri pikkuste sammliidriteks nimetavatate sädemetena. Ühe sammu aeg on 20- 50 mikrosekundit. Liider kannab negatiivset laengut allapoole ja kui ta jõuab maapinna lähedale , siis kasvab elektriväli maapinnal nii tugevaks, et seal algab uus säde. See on liidrist märksa võimsam ja sirutub singjooneliselt liidrile vastu. Kui liider ja vastutulev lahendus maapinnast mõnekümne meetri kõrgusel ühinevad , sulgub juhtiv voolukanal ja tuhandeks sekundiks tekib midagi pilve ja maa vahelise lühiühenduse taolist. Selles staadiumis vabanebki välgu energia. Enamasti aga ei jõua välgu ülemist otsa ümbritsev elektrilaeng tuhandiksekundi jooksul maha laaduda ja umbes kümnendiku sekundi pärsat tekib uus ning pea sama võimas lahendus nüüd juba ette kummutatud ja ioniseeritud kanalit pidi. Välgulahendus võib niiviisi korduda kuni kümme korda. Eesti kliimas piirdub välk tavaliselt vaid 1-5 lahendustsükliga ja kestab kokku alla poole sekundi. Välkude esinemist geograafilist jaotust uuritakse satelliidifotodel ja välgu raadiosignaale järgivate maapealsete vaatlusvõrkude abil. Meie lähinaabritest on raadiosaatlusvõrguga kaetud nii Rootsi kui Soome. Hiljuti seati äikeseregistraator üles Tõraveres.
Välgud põhjustavad nimetamisväärset kahju. USA mereoroloogiateenistuse andmetel hukkus Ühendriikides ajavahemikul 1940-1991 välgutabamuse läbi 8316 inimest, samal ajal kui tornaadod said saatuslikuks 7531 ja uputused 5828 inimesele. Ligikaudu 5 protsenti kindlustuskahjude arvust on põhjustatud välgulöökide arvust on põhjustatud välgulöökidest ja USA iga. aastast majanduslikku kahju mõõdetakse selles valdkonnas miljardites dollarites.
Elekter ülalpool pilvi
Välgud ja elektriliselt laetud äiksesvihma tilgad kannavad maapinnale hulgaliselt negatiivset elektrilaengut. Üle kogu maakera laetakse maapinna äikese all umbes 1000- amprilise vooluga. Looduses kehtib aga elektrilaengu jäävuse seadus: kui kuskil tekib mingi hulk negatiivset elektrilaengut, peab kohe tekkima ka täpselt sama palju positiivset elektrilaengut. Nii et lengu koguhulk jääks ikka samaks.Kuhu läheb siis äikesepilve ülaossa kogunenud positiivne laeng?Üllatuslik, kuid loogiline vastus kõlab- taevasse . Atmosfäärielektriline taevas avastati tänu raadotehnikale. Raadioside on algusest peale olnud tihedalt seotud atmosfäärielektriga. Vene teadlase Aleksander Popovi 1895 . aastal ehitatud esimene raadiovastuvõtja ei olnud üldse sideseade ja kandis nime "aikesemärkija". Äike on võimas raadiosaatja, mis teeb raadiosidele palju tüli tänaseni.Itaallase Guglielmo Marconi tööviljana arenes raadioside 19. ja 20. sajandi vahetusel väga kiiresti ning juba 1901. aastaks oli sisse seatud raadioühendus Euroopa ja Ameerika vahel. Nii suur kaugus saatja ja vastuvõtja vahel näis füüsikaseaduste vastane. On ju raadiolaine nagu valguski elektromagnetlainetus, mis lainepikkudest palju suurema mastaabiga ruumis levib sirgjooneliste kiirtena. Maakera on aga ümmargune ja raadioside euroopast "nurga taha " Ameerikasse ei tohiks olla võimalik. Televisioonis ja nüüdisaegses ringhäälingus kasutatavad meeterlained käituvadki nagu arvaks korralik õpilane füüsiakatunnis ja Euroopast Ameerikasse nad ei levi. Alates 15-20 meetrisest lainepikkusest käituvad aga raadiolained teisiti ja nagu raadioamatöörid on paljukordselt tõestanud , võivad levida Eestist ka Uus- Meremaale . Esimestena said kaugraadioside olemasolust aru 1902 . aastal Inglise füüsik Oliver Heaviside ja omal ajal kuulsa USA leiduri THomas Alva Edisoni esimese abilisena alutanud USA insenerteadlane A. E. Kennelly. Nad leidsid , et umbes 100 kilomeetri kõrgusel maapinnast peab olema elekterit juhtiv õhukiht, mis peegeldab kosmose poole suunduvad raadiolained maale tagasi. Tänapäeval nimetatakse seda õhukihti ionosfääriks. See ongi nn atmosfäärielektri-taevas.
Kuidas aga elekter äikesepilvest jõuab ionosfääri? Pilvedest ülespoole löövad välke pole ju nähtud. Probleem jäi kauaks lahenduseta . 1989. aasta 6. juuli öösel testis Minesota ülikooli füüsik Robert Franz öises preerias uut ülitundlikku videokaamerat. Lindile jäid tähed ja kauge äikese välgussähvatused, nendele lisaks aga ootamatu üllatus: kauge äikesepilve kohal sähvisid üles ionosfääri poole valgussambad, mis ei olnud ei välgud ega virmalised . Seda tüüpi kuni 90 kilomeetri kõrgusele ulatuvad punaseid elektrilahendusi kutsutakse nüüd spraitideks( ingel sprite- haldjas ).Kui spraite uurima ja nendest kirjutama hakati, selgus et paljud, nende hulgas ka teadlased, olid neid varemgi nänud, kuid kas polnud enda vaatlustest rääkinud või siis seletati nende suulisi teateid ufo- laadsete silmapetetega. Spraidid pole ainus ülalpool pilvi toimuva elektrilahenduse vorm. Teist tuntud lahendusvormi nimetatakse sinisteks jugadeks(ingl blue jets ). Need esinevad spraitidest madalamal, algavad vahetult pilve tipust, jõuavad kuni 40 kilomeetri kõrguseni ja võivad süüdata elektrilaengut kõrgemale edasiviiva punaka spraidi. Pilvedest ülalpool esinevad lahendused on kahjuks väga raskelt vaadeldavad, sest helendus on nõrk ja äikesepilv ise rikub nähtavuse. Äikesepilve kohal on õhk hõredam ja seal juhib ta paremini elektrit kui maapinnal. Sellepärast kandub oluline osa elektrilaengust pilve tipust ionosfääri ilma helendava lahenduseta.
Pilvitu taeva elekter
Teame nüüd niipalju, et äikesed töötavad nagu maapinna ja elektrit juhtiva ionosfääri vahele ühendatud generaatorid, mis tekitavad üle
maakera kokku 1000 amprit või rohkemgi elektrivoolu. Elektrivool ei saa aga kuidagi kaua voolata vaid ühes suunas ning ainult kasvatades pinget elektrilise kondensaatori katetena käituvate ionosfääri ja maapinna vahel. Mingit teed pidi peab elektrilaeng ionosfäärist maapinnale ka tagasi jõudma.Õhk osutub vähesel määral elektrit juhtivaks ja Ohmi seaduse järgi on kondensaatori lekkevool seda suurem, mida kõrgem pinge. Kuigi õhu takistus maapinna lähedal on vaskjuhtme takistusest üle kümme astmes kakskümmend kolm korra suurem, on juhtme tohutu ristlõike (maakera pindala) tõttu atmosfääri takistus alla 390 oomi . Kui pinge ionosfääri ja maapinna vahel kasvab 250-300 kilovoldini, mis on välgu otste vahelise pingega võrreldes väga väike pinge, siis kasvab lekkevool generaatorite vooluga võrdseks ja pinge jääb püsima lonosfääri-maapinna lekkevoolu võimses on ligikaudu 300 megavatti, mis kõigest kümnendik protsenti kõigi välkude elektrilisest võimsusest ja võrreldav üsna väikeste elektrijaama võimsusega.
Lonosfääri ja maapinna vaheline pinge muutub ajas ja ruumis samuti nagu globaalne äikesetegevus.Äike vajab soojusenergiat ning seetõttu on kõige sagedasemad ja võimsamad äikesed troopikas. Äikesetegevus kulmineerub päeval ja vaibub öösel. Ionosfääri pinge saavutab maksimumi siis, kui keskpäev on Aafrikas ja teise maksimumi ajal, mil keskpäev on Lõuna- Ameerikas. Ent langeb miinimumväärtuseni sel ajal, kui keskpäev on Vaikse ookeani kohal. Pinge keskmine väärtus oleneb maakera keskmisest temperatuurist. Seetõttu saaks ionosfääri ja maapinna vahele ühendatud voltmeetrit kasutada isegi kliima globaalse soojenemise mõõtmiseks. Kahjuks aga ei osata nüüdisajalgi ionosfääri pinget piisava täpsusega mõõta. 1992. aastal näitas aga USA füüsik E.R. Williams , et märksa reaalsem meetod maakera keskmise temperatuuri jälgimiseks oleks mõõta globaalse äikesetegevuse integraalset raadiosignaali ülimadalal sagedusel 7,9 hertsi, mis on ionosfääri ja maapinna vahelise lainejuhi esimene resonantssagedus.
Õhu elektrijuhtivust põhjustavad õhus leiduvad ioonid . Lämmastiku või hapniku aatomi lõhub positiivseks iooniks ja vabaks elektroniks kas radioaktiivse või kosmilise kiirguse kvant . Elektron ei püsi õhus kaua vaba, vähem kui mikrosekundi jooksul kleepub ta ettejuhtuva hapnikumolekuli külge ja muudab selle negatiivseks iooniks.Ioonid põrkuvad molekulidega tuhandeid kordi üheks mikrosekundis ja selle põrgeteahelas toimub palju keemilisi reaktsioone, millest võtavad osa ka õhus mikrokogustes leiduvad elektriliselt aktiivsete molekulidega gaasid.
Ioonidel on oluline osa atmosfääri aerosooli tekkimisel ja pilvede arengus. Juba 19. sajndil tõestas lord Kelvin, et mida väiksem on veetilk , seda aeglasem on veeauru kondenseerumine ja kiirem tilga aurumine.Kui tilga läbimõõt oleks sajandik mikromeetrit, siis peaks ta silmapilkselt auruma. Niiviisi näib, et uute pilvetilkade tekkimine ja kasvamine alates selgest õhust pole üldse võimalik.Paradoksi lahendus leiti ruttu: osutus, et õhk sisaldab alati mõne sajandikmikromeetri läbimõõduga tahkeid osakesi, mida hakati nimetama kondensatsioonituumadeks.Uued pilvetilgad tekivad kondensatsioonituumadel. Kui õhus on palju kondensatsioonituumi, siis saame teatud hulgast veeaurust palju pisikesi tilku, mis jäävad õhku hõljuma. Kui kondensatsioonituumi on vähe, siis saab samast hulgast veeaurust vähe suuri tilku, mis käituvad hoopis teistviisi. Niimoodi juhivad kondensatsioonituumad pilvede ja sademete arengut ning selle kaudu maakera kliimat. Kuidas aga tekivad kondensatsioonituumad, jäi kauaks mõistatuseks. Inglise füüsik Charles Thomson Wilson leidis Nobeli preemiaga pärjatud töös, et veeauru väga suure üle küllastuse puhul võivad kondensatsioonituumadena käituda ka tavalised õhuioonid. Paraku aga ei tule looduslikus õhus piisavalt kõrget üleküllastust kunagi ette.
Kasutatud kirjandus:
1. " Universum valguses ja vihmas " Uno Veismann ja Rein Veskimäe
Leisi keskkool
Äikese saladused
referaat
Koostaja :Eliis Väljaäär
11 klass
Juhendaja:Rein Ojasoo
Leisi 2008