Kép forrása: pexels.com
Amikor a viharban felvillan az ég, a legtöbben csak a vakító fényt és a pár másodperccel később érkező dörgést érzékeljük. A levegő egy keskeny csatornája ilyenkor rövid időre plazmává alakul, és a mérések szerint a villámcsatorna belsejében a hőmérséklet több tízezer fokos nagyságrendet is elérhet. A gyakran idézett érték: kb. 30 000 Kelvin, ami Celsiusban ~29 700 °C. (A két skála közt 273 a különbség – ezen a hatalmas hőmérsékleten ez már csak „apró” eltérés.)
A villámot úgy érdemes elképzelni, mint egy pillanatra megnyíló, rendkívül vezető „alagutat” a levegőben. A kisülés során óriási áram fut végig ezen a keskeny csatornán. A levegő normálisan rossz vezető, de a villám előkészítő folyamatai (ionizáció) hirtelen olyan állapotba hozzák, hogy át tudja engedni ezt az áramot.
A kulcs a fűtéshez egyszerű fizika: ha nagy áramot kényszerítesz át egy viszonylag szűk keresztmetszeten, a közeg Joule-hő formájában elképesztő mennyiségű energiát nyel el. A villám leglátványosabb fázisában – a szaknyelv ezt gyakran visszaütésnek nevezi – mindez mikroszekundumok alatt történik. Olyan gyorsan, hogy a levegőnek „nincs ideje” lassan melegedni: egyszerűen felrobban a hőtől.
Ettől dörög: a levegő hirtelen kitágul
A villámcsatornában a levegő pillanatok alatt extrém forró lesz, a nyomás is megugrik, majd a csatorna hirtelen tágulni kezd. Ez a gyors tágulás lökéshullámot indít – ezt halljuk mennydörgésként.
Ezért van az is, hogy a dörgés nem „egyetlen hang”: a villámcsatorna több kilométer hosszú lehet, a hang pedig a csatorna különböző pontjairól, különböző távolságokból érkezik a fülünkhöz. A végeredmény a jellegzetes, morajló, elnyújtott hang.
A villám hőmérsékletét nem úgy mérik, hogy „beledugnak egy hőmérőt” – ez nyilván lehetetlen. Ehelyett a villám által kibocsátott fényt vizsgálják: optikai emissziós spektroszkópiával felbontják a fényt „színeire”, és a spektrumban megjelenő vonalak (például a nitrogén és oxigén gerjesztett, ionizált állapotai) árulkodnak a plazma állapotáról.
A módszer lényege: bizonyos spektrális vonalak erőssége és aránya a plazma hőmérsékletével és ionizációs állapotával függ össze. Ha elég gyors a műszer (nagy időfelbontás), akkor akár a villám „legforróbb pillanatát” is el lehet kapni.
Miért nem egyetlen szám az „igazi” hőmérséklet?
Azért, mert a villámcsatorna nem egyenletes. Van egy forróbb mag, és egy hűvösebb perem. Ráadásul a villám időben is változik: a csúcshőmérséklet a legintenzívebb fázisban jelentkezik, utána gyors hűlés kezdődik.
A plazmák világa még egy csavart hoz: beszélhetünk külön gázhőmérsékletről (a nehezebb részecskék – atomok, ionok – „átlagos” mozgási energiája) és elektronhőmérsékletről is. Bizonyos pillanatokban ezek eltérhetnek. Emiatt a szakirodalom gyakran tartományokat ad meg, és mindig jelzi, hogy pontosan melyik részt, melyik időpontot, milyen módszerrel becsülték.
Nem csak hang és fény: a villám átírja a levegő kémiáját is
A több tízezer Kelvinre hevített levegőben a molekulák (különösen a nitrogén és oxigén) részben széteshetnek, majd a lehűlés során újra összeállnak – közben nitrogén-oxidok (NOx) is keletkezhetnek. Ez a légkör kémiájában nem jelentéktelen folyamat: a villámlás természetes NOx-forrás.
A villámnál emlegetett „30 000 fok” nem túlzás: a mérések szerint a villámcsatorna belseje valóban több tízezer Kelvinre hevülhet – csak mindez egy szempillantásnál is rövidebb idő alatt játszódik le, és egy nagyon vékony, néhány centiméteres nagyságrendű csatornában.
