Lynet — en ærefryktinngytende manifestasjon

TENK deg en av de mest ærefryktinngytende manifestasjoner av utemmet energi i verden — lynet! De fleste har en eller annen gang opplevd et kraftig tordenvær og alt som følger med det: voldsomme regnskyll, blendende lynglimt, tordenskrall og så spenningen før det hele begynner forfra igjen.

Kunne du ha lyst til å vite mer om hva som er årsaken til dette mystiske, elektriske fenomenet på himmelen? Hva er det som foregår under et tordenvær som frambringer slike voldsomme krefter? Ettersom lyn er gigantiske gnister fra elektriske utladninger i atmosfæren, må vi først vite noe om luftens elektriske egenskaper for å forstå hvordan lyn oppstår.

En elektrisk atmosfære

De fleste av oss er kanskje ikke klar over det, men atmosfæren er sterkt elektrisk ladet. Atmosfærens elektriske spenning er i virkeligheten forbausende stor. I klarvær stiger spenningen ved jordoverflaten med gjennomsnittlig 150 volt pr. meter. Luften er positiv i forhold til bakken, og jo høyere opp en kommer, jo større blir spenningen.

Dette betyr at hvis du står ute på en åpen slette i god avstand fra hus og trær, kan luften ved hodet ditt ha en spenning på 250 volt mer enn luften ved bakken. Hva kommer det så av at vi ikke merker denne spenningen? Et menneske ville bli drept hvis det fikk i seg nok strøm med så høy spenning, men vi merker ikke engang en liten gnist. Grunnen er at luften er en god isolator. Huden er en forholdsvis god elektrisk leder og sørger for at kroppen bevarer en jevn spenning. Hvis en skal måle spenningen i atmosfæren, må en bruke svært følsomme instrumenter som er omhyggelig isolert og skjermet fra andre ting som kan være elektrostatisk ladet.

Hvis spenningen fortsatte å stige i samme grad, ville den være på 15 000 volt bare hundre meter oppe. Det er imidlertid en grense for hvor høy spenning atmosfæren kan oppnå, for høyt oppe, over stratosfæren, blir luften en elektrisk leder. Hva er det som forårsaker denne forskjellen — at den luften som er en god isolator nede ved bakken, er en god leder i de store høyder? Svaret er å finne i det fenomen som vi kaller ionisering.

Luftmolekylene, både nitrogenmolekylene og oksygenmolekylene, er vanligvis nøytrale. Det betyr at den positive ladning i hver atomkjerne blir nøyaktig oppveid av den negative ladning i elektronene omkring kjernen. Men hvis et av elektronene blir revet løs fra sin bane, blir molekylet positivt ladet. Vi sier at det blir ionisert, eller at det er blitt et ion.

Ioniseringen kan ha forskjellige årsaker, men i den klare, nedre del av atmosfæren skyldes den i første rekke de kosmiske strålene som bombarderer atmosfæren fra verdensrommet. Energirike partikler treffer luftmolekylene med slik kraft at elektroner blir slått løs og etterlater seg positive ioner. De frie elektronene kan opptas av andre molekyler og danne negative ioner. Så lavt som 50 kilometer over bakken blir det produsert mange nok ioner til at luften blir en god elektrisk leder.

Vi kaller dette elektrisk ledende luftlaget for elektrosfæren. Det er noen ganger blitt regnet som en del av ionosfæren, men ionosfæren er egentlig bare de høyere luftlagene, de som vi finner over 100 kilometer over bakken, og som reflekterer radiobølger.

Bakken er også en god leder. I dette tilfelle blir strømmen ført gjennom grunnvannet av ionene. Mineraler oppløst i vann forekommer i form av ioner. Vanlig koksalt gir således positive natriumioner og negative kloridioner. Gips danner ioner av kalsium og sulfat. Alt grunnvann inneholder mer eller mindre oppløste mineraler, og selv forholdsvis tørr jord har en viss fuktighet. Selv om en liten jordklump kanskje ikke leder så mye strøm, er jordskorpen så stor at den sett under ett er en ypperlig leder.

Alle deler av en god leder må være elektrostatiske når spenningen er den samme. Hvis det skjer noe som øker spenningen ved ett punkt, vil strømmen bevege seg fra det til områder med lavere spenning, helt til forskjellen blir utjevnet. Dette er tilfelle med jorden. Det er også tilfelle med elektrosfæren. Men den nedre del av atmosfæren er en isolator som skiller jorden og elektrosfæren fra hverandre. Det gjør det mulig å opprettholde den store spenningsforskjellen mellom dem. Ja, dette systemet danner en kjempemessig elektrisk kondensator hvor jorden er negativ og elektrosfæren positiv. Spenningen tvers gjennom atmosfæren er gjennomsnittlig på 300 000 volt. Den varierer betydelig fra time til time og fra måned til måned.

Det finnes ikke noe som er en fullkommen isolator. Ved hjelp av tilstrekkelig følsomme instrumenter lar det seg gjøre å påvise en svak strøm selv i den nedre del av atmosfæren. Denne delen av atmosfæren er nemlig svakt strømførende på grunn av de få kosmiske strålene som trenger igjennom til jorden. Jorden har et overskudd av elektroner, og de siver stadig bort fra en rekke punkter på jordoverflaten. Slike utladninger forekommer ytterst i bladene på trær, i spissen av gresstrå og til og med fra skarpe hjørner på sandkorn. Bygninger som rager høyt opp i luften, presser sammen det elektriske feltet ved tårnene og spirene og takhjørnene, og utladningen av elektroner blir konsentrert om slike punkter. Disse ørsmå utladningene fra mange forskjellige steder jorden over danner til sammen så mye elektrisitet at all elektrisitet i jorden kunne bli overført til elektrosfæren på mindre enn en time. Det må følgelig finnes en eller annen mekanisme som gjør at overskuddet av elektroner blir værende på jorden. Og det er her lynet kommer inn i bildet.

Tordenværet som generator

Vi kan se mange forskjellige typer skyer på himmelen. De fleste av dem er mer eller mindre flate og horisontale i utstrekning. Men de som først og fremst vekker vår beundring, er de vakre, hvite cumulus-skyene eller haugskyene, som tårner seg opp mot den blå himmelen som kjempemessige blomkålhoder. Under de rette værforhold fortsetter noen cumulus-skyer å vokse og stige tusenvis av meter oppover mot stratosfæren, samtidig som de blir bredere nederst. På denne måten utvikler de seg til en cumulonimbus, en samling tordenskyer. Når de er fullt utviklet, utvider de seg øverst og danner den kjente ambolten. De er fremdeles et vakkert syn på avstand, men for den som befinner seg rett under dem, er de nå en mørk, truende skymasse. Det går ikke lang tid før jorden under dem blir gjennombløtet av voldsomme regnskyll, noen ganger ledsaget av hagl.

Det er denne typen skyer som frambringer lyn og torden. De utgjør en slags kjempemessig elektrisk generator i luften som tårner seg opp og blir fra åtte til 18 kilometer høy og dekker et område på 3000 kvadratkilometer. Inne i skymassen er det voldsomme oppadgående og nedadgående luftstrømmer som får vanndråper og iskrystaller til å bevege seg med en hastighet på mellom 40 og 100 kilometer i timen. Utallige partikler av regn, is, sludd og hagl farer opp og ned, mens skyen vrir og snur seg, bølger og svulmer.

Tyngdekraften virker på vann- og ispartiklene, og i den friksjonen som derved oppstår, blir elektroner og ioner på en eller annen måte revet løs ved grenseflatene mellom luft, vann og is. Ladningene blir skilt fra hverandre av vinden. Den fører positive ladninger til den øverste delen av skyen, mens regndråper med negative ladninger faller ned til den nederste delen. Spenningsforskjellen mellom den øverste og nederste delen fortsetter å øke etter hvert som skyen utvikler seg. Til slutt er spenningen blitt så stor at skyen «går opp i sømmene». Den prøver som besatt å kvitte seg med de hundrevis av millioner volt som har bygd seg opp i den. Luften virker riktignok som en isolator, men den kan bare motstå et visst press. Til slutt blir spenningen på en dramatisk måte utløst av et blendende lyn.

Det er blitt anslått at det på et hvilket som helst tidspunkt er cirka 3000 tordenvær i aktivitet rundt om på jorden. De fleste av dem går over land.

En god del av lynene går inne i selve skyen, men den negative ladningen som er bygd opp nederst i skyen, er så mye større enn jordens normale spenning at lynet også slår mot bakken og fører elektroner til jorden. Når skyen blir oppløst, vil den positive ladningen i det øverste laget bevege seg mot elektrosfæren. Når det er pent vær, siver så positive ioner gjennom atmosfæren og ned til jorden og nøytraliserer dens negative ladning, og negative ioner stiger opp til elektrosfæren og nøytraliserer den. Ringen er sluttet.

Hvordan lyn blir dannet

Det er vanskelig å studere lyn i skyene; det er ikke noe særlig behagelig miljø for vitenskapsmannen og hans følsomme instrumenter. Men lyn som slår mot bakken, kan iakttas og fotograferes ved hjelp av hurtig roterende kameraer, og av fotografier som er blitt tatt med slike kameraer, har vitenskapsmennene lært mye om hvordan et lyn gradvis bygger seg opp. Dette er det de har kommet fram til:

Laboratorieundersøkelser har vist at et lyn utløses når spenningen i det elektriske feltet kommer opp i cirka tre millioner volt pr. meter. Det som skjer, er at de få elektronene som alltid blir revet løs av kosmiske stråler, nå får så stor energi at de slår løs andre elektroner fra nøytrale molekyler. Disse blir på sin side satt i enda raskere bevegelse og kolliderer med nye molekyler og ioniserer dem. Det blir således dannet et veritabelt elektronskred som beveger seg bort fra den negative ladningen i skyen og etterlater seg en hale av positive ioner. Dette svekker luftmotstanden og danner en kanal som lynet kan følge gjennom det isolerende laget.

Kameraer som kan «stanse» en bevegelse på milliondeler av et sekund, har vist at dette foregår i flere trinn. Et ledelyn bryter ut fra skyen på et sted hvor luftmotstanden for øyeblikket er svakere, og elektronskredet stanser etter cirka 50 meter. Etter en pause på cirka 50 mikrosekunder, mens spenningen i spissen av skredet bygger seg opp, fortsetter det, kanskje i en helt annen retning, alt etter hvor stor motstand den ioniserte luften yter. På denne måten opparbeider ledelynet en kanal av sterkt ionisert luft mot jorden. Denne kanalen er mellom én og ti meter bred.

Ettersom luften blir mer ionisert noen steder enn andre, søker ledelynet den veien hvor det er lettest å komme fram, idet det farer ut i forskjellige retninger og danner mange forgreininger. Når det kommer nærmere målet enn 50 meter, skyter en lysende stråle opp fra et egnet punkt på bakken og møter det. Nå er ringen sluttet. Gjennom den kanalen som er dannet, kan skyen kvitte seg med sin tunge byrde av ekstra elektroner.

Elektronene i kanalen nærmest bakken strømmer først igjennom, tett fulgt av de elektronene som presser på ovenfra. Tilbakeslaget, som er sterkt lysende, farer opp mot skyen med en hastighet som er nesten like stor som lysets hastighet. Ledelynet har kanskje brukt 20 000 mikrosekunder på å nå bakken, mens tilbakeslaget tilbakelegger en samme strekningen på bare 70 mikrosekunder. I kanskje 40 mikrosekunder sender skyen nå ut en strøm som har en styrke på mellom 10 000 og 20 000 ampere eller mer. I denne korte stunden utvikler den flere milliarder kilowatt — flere kilowatt enn alle verdens elektrisitetsverk produserer til sammen. Ja, dette er virkelig en ærefryktinngytende manifestasjon!

Lynnedslaget varer bare et øyeblikk, men det er sjelden at det hele er over med det. Den kanalen som lynet har dannet gjennom luften, er der fremdeles og er fortsatt sterkt ionisert. Ladninger i andre deler av skyen beveger seg raskt over til det området hvor utladningen fant sted, og fortsetter ned gjennom kanalen, som fremdeles er åpen ned til jorden. På denne måten kommer vanligvis tre-fire nedslag etter hverandre, men det hele foregår så hurtig at det ser ut som et enkelt lynglimt. Noen ganger må det 10—12 eller enda flere nedslag til for at skyen skal bli kvitt den ladningen den har bygd opp.

I løpet av et femtedels sekund har lynglimtet fullført sin oppgave. Det som nå følger, er tordenen. Du kan høre et kraftig brak eller en rullende eller rumlende lyd, alt etter hvor langt borte fra lynet du befinner deg. En smal, forvridd luftsylinder i lynets kjølvann som bare er noen centimeter tykk, er blitt oppvarmet til over 30 000 grader. Så snart den elektriske spenningen er borte, utvider denne overopphetede luftsøylen seg eksplosivt med supersonisk hastighet. Sjokkbølgene forårsaker tordenskrallene, som kan høres opptil 25 kilometer borte.

Du lurer kanskje på hvorfor Skaperen har ordnet det slik at det lyner. Tjener lynet noen hensikt? Det gjør det absolutt. Det spiller en viktig rolle for nitrogenets kretsløp. Nitrogenet har stor betydning for livet, og det finnes et stort forråd av nitrogen i atmosfæren. Men levende skapninger kan ikke utnytte nitrogenet direkte. Den intense varmen i lynet spalter imidlertid nitrogenmolekylene og oksygenmolekylene til atomer, og etter hvert som de blir avkjølt, er det mange av dem som inngår forbindelser med hverandre og danner nitrogenoksyder. Regnet oppløser disse oksydene og bringer dem ned til jorden. Der blir de omdannet til nitrater som plantene kan oppta som næring. Det er anslått at tordenværene hvert år produserer hundrevis av millioner tonn nitrater.

Hva en bør gjøre når det lyner

Du har virkelig grunn til å være engstelig når det lyner og tordner. Lynet har en kolossal ødeleggelseskraft. Det kan splintre trær og telefonstolper, slå hull i tak og vegger og sette skoger og bygninger i brann. I et tre kan den elektriske strømmen bli så intens at sevjen på et øyeblikk blir til overopphetet damp som sprenger treet i stykker.

Det er heller ikke til å komme forbi at lyn kan drepe. Dyr som søker ly under et tre i tordenvær, blir ofte drept momentant når lynet slår ned i treet. Det hender at mennesker lider samme skjebne, særlig hvis de befinner seg på stranden eller på en åpen slette. Et enkelt tre på en åpen slette er ofte et mål for lynet. Hvis du kommer ut for tordenvær, må du ikke søke ly under et enkeltstående tre. Hold deg unna de høye trærne hvis du er i skogen. Og unngå piggtrådgjerder, rørledninger og jernbanespor. Du er tryggere i en dal enn på en ås.

Hvis du bor i et område hvor det ofte forekommer tordenvær, er det forstandig å beskytte huset med lynavleder. For at lynavlederen skal være effektiv, må den være skikkelig jordet. Det vil si at den må oppfange lynet og lede det til en ledning eller plate av metall som er gravd ned i jorden. Fjernsynsantenner og elektriske kraftledninger som leder til huset, kan beskyttes ved hjelp av overspenningsavledere.

Hvis du befinner deg i en bil eller i et tog under tordenvær, har du ingenting å bekymre deg for. Strømmen går gjennom karosseriet og ned i bakken. En kan også føle seg trygg når en sitter i et fly. Fly blir ofte truffet av lyn, og noen ganger blir det til og med boret små hull i flykroppen, men en kjenner ikke noen tilfelle da et fly har styrtet på grunn av lyn. De voldsomme vindene under et tordenvær utgjør naturligvis en fare som pilotene styrer langt utenom.

Hvis du tar de nevnte forholdsregler, vil du kunne slappe av og glede deg over denne storslagne tilkjennegivelsen av Skaperens makt neste gang du kommer ut for et tordenvær. Og ettersom du nå vet litt om hva som skjer når det lyner og tordner, vil du kanskje kunne iaktta denne kraftutfoldelsen med større verdsettelse.

[Oversikt på side 18]

Et typisk lyn

Lengde: Fem kilometer

Nedslag pr. lyn: Tre eller fire

Høyeste strømstyrke: 20 000 ampere

Spenning: 100 millioner volt

Høyeste effekt: To milliarder kilowatt

Varighet: Et femtedels sekund

[Illustrasjon på side 17]

(Se den trykte publikasjonen)

ATMOSFÆRENS ELEKTRISKE KRETSLØP

Sterkt positiv (underskudd på elektroner)

Sterkt negativ (overskudd av elektroner)

Lyn

Svak positiv (Elektronene frastøtes av skyen)

Svakt negativ (overskudd av elektroner)