Välk - Referaadi vormis (1)

Äike ehk pikne on atmosfäärinähtus, mis ilmneb välkude ja müristamisega.Äike võib tekkida rünksajupilvede korral.Kaasnevad hoovihm , rahe ja tugevad tuuleiilid. Välk tekib ainult äikesepilves. Ka põuavälk, mille sähvatust võib vahel näha öises pilvitus taevas, pärineb pilvest. Äike on siis nii kaugel, et pilve pole näha ja müristamist pole kuulda.
Liigid
Kohalikku ehk õhumassisisest äikest põhjustavad tõusvad õhuvoolud, mis tekivad maapinna ebaühtlase soojenemise tagajärjel harilikult pärast keskpäeva, mere kohal ka öösel ja hommikul . Frondiäike puhkeb enamasti külmafrondil(atmosfäärifront)tekkivais pilvedes .Sel juhul muutub ilm pärast äikest jahedamaks.Frondiäike hõlmab suuremat piirkonda ja on kestvam, kui kohalik äike.
Levik
Maakeral on äikest ühtaegu umbes 1800 kohas. Äikese sagedus kahaneb üldiselt ekvaatorilt pooluste suunas, näiteks Jaava saarel on aastas üle 300 äikesepäeva, Eestis keskmiselt 10...20. Selle põhjuseks on pooluselähedasemate alade madalam temperatuur ja väiksemad temperatuuri kontrastid. Välkude esinemist ja geograafilist jaotust uuritakse satelliidifotode ja välgu raadiosignaale jälgivate maapealsete vaatlusvõrkude abil. Meie lähinaabritest on vaatlusvõrguga kaetud nii Rootsi kui Soome. 22. juulil 2005. a. avati Tõraveres esimene välguandur, mille abil Eesti lülitub Soome vaatlusvõrku.
Välk
Välk on võimas nähtav elektrilahendus(elektrisäde), mis esineb äikesepilves, pilvede vahel või pilve ja maapinna vahel. Sädeme tekitamiseks on tarvis seda kõrgemat pinget, mida suurem on kaugus elektroodide vahel. Laboratoorses katses tekib säde tasaste plaatide vahel siis kui pinge on 30 kV ühe sentimeetri kohta. 30 kV on ligikaudu tuhat korda suurem, kui pinge amplituud seinakontaktis ja vaid kümme korda väiksem, kui pinge suures kõrgepingeliinis. Kolmekilomeetrise välgu kohta annaks meie arvutus ligi 10 000 megavolti, mis on uskumatult suur number. Terve mõistuse skeptitsism on siinkohal õigem kui lihtaritmeetika. Kui säde on atmosfääris kord alguse saanud, siis suudab ta edeneda ka oluliselt väiksema pinge korral. Tegelik pinge välgu otste vahel ulatub vaid 1000 megavoldini, mis on lihtaritmeetika tulemusest umbes kümme korda väiksem. See ületab aga inimese saavutusi (30 megavolti National Electrostatic Corporation 'i Pelletronkiirendis) ikkagi mitmekümnekordselt. Tavaliselt on välgu eluiga 0,2 sekundit. Selle ajaga jõuab säde pilve ja maa vahel üles- alla käia isegi mitukümmend korda. Kõige rohkem on joonvälku, mis kujutab endast harilikult 2...3 km pikkust mitmeharulist kanalit. Välgu voolutugevus ja võimsus on imposantsed, kuid inimese poolt järele tehtavad. Voolutugevus jääb tavaliselt 100 kA piiridesse ja saavutab väga harva 200 kA. 1000 MV ja 100 kA teeb võimsuseks 100 GW, mis ületab küll paljukordselt maailma suurimat elektrijaama (Kolme Kuristiku Tamm Hiinas: 18.2 GW) kuid jääb pea tuhat korda alla Michigani Ülikooli 40000 gigavatiseleHERCULES-laserile. Paradoksi seletab aeg. Välk kestab vaid sekundikümnendiku ja tema koguenergia jääb tavaliselt alla tuhande kilovatttunni, HERCULES-laseri välge aga kestab kõigest 3×10-14 s ja hiigelvõimsusele vaatamata on koguenergia väiksem kui fotoaparaadi välklambi sähvatusel. Välgu energia kütab õhku tema kanali kogupikkuses ja piksevardasse püütud välgu energiast pole võimalik kasutada ühte protsentigi. On üsnagi selge, et välkude püüdmine energia saamiseks ei ole tasuv ettevõtmine. Välke püütakse vaid nende uurimise eesmärgil. Välgu energia allikaks 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 m/s võib kanda hõljuvas olekus poolekiloseid raheterasid. Vertikaaltuul käivitabki pilve staatilise elektri generaatori, mille mehhanism on üsna keeruline. Enamus suuri raheterasid ja tilku kannavad negatiivset ja väikesed tilgad positiivset laengut. Niiviisi viib tuul positiivse laengu vastu elektrijõudu üles kuni elektriväli kasvab nii tugevaks , et algab äike. Enamik välkudest algavad ja lõpevad äikesepilves ning nad ei põhjusta muud, kui valgusesähvatust, müristamist ja keemilisi reaktsioone. Välgud oksüdeerivad aastas umbes 3 miljonit tonni lämmastikku, mis on üle ühe protsendi lämmastiku bioloogilisest ringlusest. Veerand välkudest ulatuvad maapinnani. 90% (põhjamaises Eestis veidi vähem) pilve ja maa vahelistest välkudest kannab maapinnale negatiivset elektrilaengut ja neid nimetatakse negatiivseteks välkudeks. Tavaline välk algab pilves ja levib siksakiliselt mõnekümne meetri pikkuste sammliidriteks nimetatavate 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 sirgjooneliselt liidrile vastu. Kui liider ja vastutulev lahendus maapinnast mõnekümne meetri kõrgusel ühinevad, siis sulgub juhtiv voolukanal ja tuhandikuks 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 pärast tekib uus ja pea sama võimas lahendus nüüd juba ette kuumutatud ja ioniseeritud kanalit pidi. Välgulahendus võib niiviisi korduda kuni kümme korda enne kui välgu ülemise otsa ümbrusesse kogunenud laeng ammendub. Eesti kliimas piirdub välk tavaliselt vaid 1-5 lahendustsükliga ja kestab kokku alla poole sekundi. Miks lööb välku?
Õhus on alati elektrit. Ka täiesti puhtas õhus leidub alati laetud osakesi. Päikeselt liigub Maa poole peale valgust kandvate neutraalsete (ilmaelektrilaenguta) footonite ka laetud osakesi. Neid on aga tunduvalt vähem kui maailmaruumi avarustest tulevas kosmilises kiirguses sisalduvaid vesiniku-,heeliumi-, süsinik-u, hapniku-,raua-jt ioone arvust. Nende energia on miljoneid kordi suurem kui energia, mida on osakestele suudetud anda inimese poolt loodud kiirendites. Kui sellised energiapommid õhu molekulidega kokku põrkavad, tekib ioone veelgi juurde. Seetõttu on õhk umbes 50 kilomeetri kõrgusel kosmiliste kiirte mõjul tugevasti ioniseeritud. Ka Maal on küllaltki suur elektrilaeng. Mõlema laengu suurus on umbes 100 000 kulonit: ionosfääril positiivne, maapinnal negatiivne laeng. Elektriväli paneb enda mõju all olevad laetud osakesed liikuma. Tekib elektrivool , mis on suunatud maapinna poole. Voolutugevus pole küll suur: igas mõttelises üheruutmeetrise ristlõikepindalaga õhutorus kulgeb vool tugevusega 10­12amprit. Selle tulemusena jõuab iga sekundiga maapinna igale ruutmeetrile elektrilaeng, mille suuruseks on vaid üks miljondik miljondikust kulonist. Et meie planeedi pindala on küllalt suur, läbib Maa atmosfääri kokkuvõttes umbes 1800-amprine vool, mis toob maapinnale igas sekundis keskmiselt 1800 kuloni suuruse positiivse laengu. Maapinnani jõudnud positiivne laeng peaks kiiresti maapinna negatiivse laengu kompenseerima! Ometi säilib maakeral pidevalt negatiivne laeng suurusjärgus 100 000 kulonit! Põhjus on selles, et lisaks maapinna poole suunduvale voolule kulgeb samas piirkonnas eespoolnimetatule vastassuunas kulgev vool, mis tugevneb just pilvise ja sajuse ilma korral. Nimelt on kihtpilvedes ja kihtsajupilvedes laetud osakesi umbes sada korda rohkem kui pilvedeta atmosfääris. Mida paksem ja ulatuslikum on pilv ning mida suuremad on selles sisalduvad veepiisad, seda suurem on pilve laeng. Pilve sisse võib koguneda märkimisväärselt suur elektrilaeng. Sõltuvalt pilve suurusest tekib välk, kui temasse on kogunenud 10...100 kuloni suurune elektrilaeng. Positiivne laeng paikneb 7...10 kilomeetri kõrgusel maapinnast, kus valitseb 20...30- kraadine pakane . Negatiivne laeng on koondunud pilve alumisse ossa , kõrgusele 3...4 kilomeetrit maapinnast, kus temperatuur on 0...­10 °C. Pilve alumist osa ja selle all paiknevat maapinda võib vaadelda hiigelsuure kondensaatori katetena. Selle kondensaatori elektriväli on aga suunatud üles. Seega oleks ka selle välja poolt tekitatav vool vastassuunaline ­ maapinnast pilve suunas.
Välgu toime
Sähvatusele järgnev lööklaine, mis tekib välgu kuumusest plahvatuslikult paisuvast õhust ja magnetväljast, põhjustab müristamise. Müristavat häält tekitab ka välgukanalis tekkiv paukgaas . Mida kaugemal välku lööb, seda pikem on välgu ja müristamise vaheline aeg (1 kilomeetrile vastab 3 sekundit). See tuleneb sellest, et hääl levib atmosfääris normaaltingimustel ligikaudu kiirusega 330 m/s. Valguse levikuaja võib antud juhul jätta arvestamata. Müristamine on küll muljetavaldav ja hirmu tekitav nähtus, kuid üsnagi kahjutu ning lihtsalt uuritav ja seletatav . Ligikaudu kolmesentimeetrise läbimõõduga välgukanalis kuumeneb õhk silmapikselt 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 müristamise muudab pikaajaliseks pilvedevaheline kaja . See ei pea paika. Pilved on hõredad ja kuigi kaja nendelt on sonariks nimetatud ülitundliku aparatuuri abil registreeritav, jääb see inimese kõrvale märkamatuks. Kontrolliks 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. Maapinda lüües võib välk põhjustada purustusi ja tulekahjusid ning ohustab elusolendeid. Pikselöögist tabatud puudes aurustub vesi momentaanselt, purustades sageli need suurteks tükkideks. Veelgi vägevamad kärgatused kostavad äikese ajal kõrbetes, kui välgud tabavad sammaskaktusi, mis on kui hiiglaslikud looduslikud veereservuaarid.
Välgutaolised nähtused
Välgutaolised nähtused on kettvälk(koosneb helendavaist punktidest) ja keravälk(tulekera mõõtmed, värvus ja kestus on väga erisugused).
Milline on pikselöögi mõju inimese organismile?
Äikesenoolest tabatul on tüüpilistel juhtudel rohked verevalumid ja põletushaavad. Pikselöögi tagajärjel seikub tihti süda. Uuemate tähelepanekute järgi ei põhjusta inimese või looma surma mitte ainult äikese ajal tekkiv elektrilaeng. Meditsiiniajakirjas Lancet avaldatud artiklis teatatakse, et surma põhjuseks võib olla ka pikselöögi ajal tekkiv magnetväli. Piisab sellest, et rohkem kui 100 000- amprine vool tungib inimesest või loomast mõne meetri kaugusel maasse. Säärase elektrilöögiga kaasneva magnetvälja toimel võibki süda seisma jääda. Erinevalt otsesest äikesetabamusest ei põhjusta magnetväli inimese kehal põletushaavu ja verevalumeid. Arvatavasti võib just piksega kaasneva magnetvälja arvele kirjutada jalgratturite salapärase hukkumise mitmes paigas.
Äike mütoloogias
Paljude rahvaste mütoloogias on äikese põhjustajaks usutud jumalaid või jumalusi . Vanakreeka mütoloogias on äikese- (ja peajumalaks) Zeus ; Eesti rahvausundis Äike või Pikker või Pikne jne. Ettevaatus abinõud
Et ennast äikese eest kaitsta, tuleb hooned kaitsta korralike piksevarrastega.Tasub eemale hoiduda kõrgetest puudest lagedal väljal, eriti ohtlikud on lehtpuud (tammed) just nende suure veesisalduse tõttu (vt välgu toime). Majades tuleks hoiduda telefoniga kõnelemast, televiisori vaatamisest (maailmas on küllaga näieid tulekahjude kohta, mis põhjustatud välgulöögist TV-antenni!), ahju kütmisest (suitsusammas toimib laetud osakeste suure kontsentratsiooni tõttu piksevardana), hoida eemale isegi seinakontaktidest. Välgud põhjustavad nimetamisväärset kahju. Pildil näidatud puulõhkuja töö on metsatulekahjude süütamisega võrreldes tähtsusetu. Välku tasub karta . USA meteoroloogiateenistuse andmetel hukkus Ühendriikides ajavahemikul 1940-1991 välgutabamuse läbi 8316 inimest samal ajal kui tornaadod said saatuslikuks 5731 ja uputused 5828 inimesele. Ligikaudu 5% kindlustusjuhtumeid on põhjustatud välgulöökidest ja USA igaaastast majanduslikku kahju mõõdetakse miljardites dollarites.
Välgu uurimine
Välgud on mitmekesised ja keerukad mitte ainult väliskujult vaid ka füüsikalise mehhanismi ja struktuuri poolest. Välgu uurimused moodustavad kõige suurema osa atmosfääri elektri teadusest. Scholar.google.com annab küsimusele teadusartiklitest, mille pealkirjas on sõna "lightning" (välk) ca 12500 vastust samal ajal, kui pealkirjadest sõna "thunderstorm" (äike) otsides saab vastuseid kõigest ca 850. Kõige lihtsam välgu uurimise meetod on öine aegfotograafia. 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 tavalist piksevarrast kasutades võibki ootama jääda. Eiffeli torn Pariisis (paremal oleva foto tegi M.G. Loppe 3. juunil 1902. a.) ja Empire State Building New Yorgis . Tänapäeval eelistatakse aparatuur madalal asuvasse vaatlusjaama valmis seada ja välk teadlastele sobival hetkel kohale meelitada. Selleks oodatakse soodsat momenti (tavaliselt veidi pärast äikesevihma vaibumist) ja lastakse vertikaalselt üles väike rakett , mis kerib poolilt ja veab enda järel peenikest traati (sellised raketid on sõjatööstuses seeriatootmises). Nii saadakse pikk ja efektiivne piksevarras ning välgulöök on peaaegu kindel. Välgu parameetrid registreeritakse ostsillograafe ja kaameraid sisaldava keerulise aparatuuri abil. Pildil on raketi abil süüdatud välk Floridas . Vasakul on näha plahvatanud traadi jälg, paremal korduvlahenduste tuulest kantud kanalid.