Lynet — en imponerende kraft på himmelen

LAD os betragte en af de mest ærefrygtindgydende, ukontrollerede kraftudfoldelser i verden — tordenvejret! De fleste har på et eller andet tidspunkt oplevet et sådant elektrisk uvejr med alle dets aspekter: regn i stride strømme, blændende lynglimt, øresønderrivende tordenskrald, og den åndeløse spænding hvormed man afventer det næste brag.

Kunne du tænke dig at vide mere om årsagen til dette gådefulde elektriske fænomen på himmelen? Hvad foregår der under et tordenvejr som udløser disse kolossale, imponerende kræfter? Da det drejer sig om elektriske fænomener må vi, for at forstå hvor lynene kommer fra, først vide noget om luftens elektriske egenskaber.

Atmosfæren er elektrisk

Selv om vi almindeligvis ikke mærker noget til det, er atmosfæren omkring os stærkt ladet med elektricitet. Den elektriske spænding i atmosfæren er forbløffende stor. I klart vejr stiger spændingsforskellen mellem jordoverfladen og luften med gennemsnitlig omkring 150 volt pr. meter man kommer i vejret. Luften er positiv i forhold til jorden, og jo højere man kommer op, jo større er spændingsforskellen.

Det vil sige at hvis vi står ude i det fri, hvor der hverken er bygninger eller træer i nærheden, kan luften i hovedhøjde have en elektrisk spænding på 250 volt i forhold til jordoverfladen. Hvorfor mærker vi ikke noget til det? En sådan spændingsforskel ville jo — med tilstrækkelig strømstyrke — være dødbringende, men vi mærker end ikke det mindste stød. Grunden er at luften isolerer så godt. Vores hud er en forholdsvis god elektrisk leder, og den sørger for at udjævne spændingsforskellen i vort legeme. Den elektriske spænding i atmosfæren kan kun måles med meget følsomme instrumenter.

Hvis spændingen fortsætter med at stige på denne måde, vil den i blot hundrede meters højde være oppe på 15.000 volt. Der er imidlertid en naturlig grænse for spændingen, idet luften i den øvre atmosfære, oppe over stratosfæren, bliver elektrisk ledende. Hvad er grunden til denne forskel — til at luften, der virker så stærkt isolerende hernede ved jorden, højere oppe bliver en god elektrisk leder? Svaret ligger i det fænomen man kalder ionisering.

Luftens kvælstof- og iltmolekyler er normalt neutrale. Det vil sige at den positive ladning i hver atomkerne er i nøjagtig balance med den negative ladning i de elektroner der kredser om kernen. Hvis en af elektronerne imidlertid slipper ud af kredsløbet, bliver molekylet positivt ladet. Man siger at molekylet bliver ioniseret. Det kaldes nu en ion.

Denne ionisering kan have forskellige årsager, men i den klare, nedre atmosfære er hovedårsagen de kosmiske stråler der bombarderer os fra det ydre rum. Energirige partikler rammer luftens molekyler med en sådan kraft at nogle af elektronerne rives løs og der efterlades positive ioner. De frie elektroner kan knytte sig til andre molekyler, så der dannes negative ioner. I blot 50 kilometers højde dannes der tilstrækkeligt med ioner til at luften bliver en god leder.

Dette ledende luftlag i atmosfæren kaldes elektrosfæren. Undertiden medregnes det i ionosfæren, men dette navn anvendes mere rigtigt om de højere lag, fra 100 kilometer og opefter, som reflekterer radiobølger.

Jorden er også en god elektrisk leder. Her bliver strømmen ledet af ioner som er opløst i grundvandet. Ethvert mineral der er opløst i vand, er ioniseret. Almindeligt bordsalt, for eksempel, deles i positive natriumioner og negative kloridioner. Gips danner ioner af kalcium og sulfat. Alt grundvand indeholder opløste mineraler i større eller mindre mængde, og selv temmelig tør jord indeholder en vis fugtighed. Så selv om en lille jordklump måske ikke er særlig ledende, er jordoverfladen som et hele, på grund af sin uhyre størrelse, en fortræffelig elektrisk leder.

I en god leder vil eventuelle spændingsforskelle automatisk blive udlignet. Hvis spændingen et sted af en eller anden grund øges, vil strømmen derfra bevæge sig hen til andre steder hvor spændingen er lavere, indtil forskellen er udlignet. Dette gælder både i jorden og i elektrosfæren. Imellem disse elektriske ledere ligger så den nedre atmosfære, der virker som en isolator. Den muliggør den store spændingsforskel mellem dem. Faktisk udgør hele dette system en kæmpemæssig kondensator, hvor jorden er negativ og elektrosfæren positiv. Spændingen i atmosfæren er gennemsnitlig omkring 300.000 volt. Den varierer stærkt fra time til time og fra måned til måned.

Ingen isolator er fuldkommen. Med tilstrækkeligt følsomme instrumenter kan man selv i den nedre atmosfære måle en ganske svag elektrisk strøm. Denne del af atmosfæren er svagt ledende på grund af de enkelte kosmiske stråler der trænger igennem til jorden. Jorden har et overskud af elektroner, og de „siver“ konstant ud fra en mængde punkter på jordoverfladen. Denne afladning foregår fra spidsen af træernes blade, spidsen af græsstrå, ja endog fra skarpe kanter på sandskorn. Bygninger, der jo rager højere op, sammenpresser det elektriske felt omkring toppen eller hjørner af taget, og udladningen af elektroner er koncentreret om sådanne punkter. Tilsammen, ud over hele jorden, er denne svage afladning stærk nok til at den fuldstændig kunne udligne spændingsforskellen mellem jorden og elektrosfæren på mindre end en time. Der må altså være en eller anden lademekanisme der opretholder overskuddet af elektroner i jorden. Her er det at lynene kommer ind i billedet.

Tordenskyen som en generator

Vi ser mange slags skyer på himmelen. De fleste af dem er mere eller mindre flade og breder sig horisontalt. Men de der i højere grad tiltaler vort øje, er de smukke hvide cumulusskyer der ligger højt oppe på den blå himmel som kæmpemæssige blomkålshoveder. Under de rette vejrforhold vil en stor cumulussky blive ved med at vokse og rejse sig kilometervis op mod stratosfæren, samtidig med at dens grundflade bliver bredere og bredere. Den udvikler sig til en cumulonimbus, en tordensky. Når den er fuldt udviklet, vil dens top flyde ud til en slags hoved der danner den velkendte „ambolt“. På afstand tager den sig stadig smuk ud, men for dem der befinder sig lige under den, er den nu en mørk og truende skymasse. Snart gennemvædes jorden nedenunder af kraftige regnskyl, undertiden iblandet hagl.

Det er den slags skyer der udsender lyn og tordenbrag. Skyen er som en kæmpemæssig elektrisk generator der strækker sig fra otte til atten kilometer i højden og dækker et areal på op til 3000 kvadratkilometer. Inde i skyen blæser der voldsomme opvinde og nedvinde som driver vanddråber og iskrystaller af sted med hastigheder på 40 til 100 kilometer i timen. Store mængder regn-, is-, slud- og haglpartikler hvirvler op og ned mens skyen svulmer og vokser.

Tyngdekraften bliver ved med at trække vandet og isen nedad, og på en eller anden måde bevirker den opståede gnidningsmodstand at elektroner og ioner rives fra hinanden på grænsefladerne mellem luft, vand og is. De modsat ladede dele skilles fra hinanden af de kraftige vindstrømme. De positivt ladede dele føres op i toppen af skyen, mens negativt ladede regndråber strømmer ud gennem bunden. Efterhånden som skyen „modnes“, vokser spændingsforskellen mellem toppen og bunden. Til sidst er den så opladet at den er „lige ved at briste“. Som en vanvittig søger skyen at slippe af med de hundreder af millioner af volt den har opbygget i sit indre. Luftens isolerende evne kan kun holde til et vist pres. Til sidst giver den efter, og et blændende lynglimt letter dramatisk presset.

Det anslås at der på ethvert tidspunkt forekommer omkring 3000 tordenvejr rundt om på jorden — de fleste af dem over land.

Mange af lynene forekommer inde i selve skyen, men den negative ladning der er opbygget i bunden af skyen er så overvældende i forhold til jordens normale spænding at der også farer lyn ned til jorden, medførende elektroner. Når skyen efter uvejret spredes, finder den positive ladning i dens top vej ud i elektrosfæren. I godt vejr vandrer positive ioner derpå gennem atmosfæren ned til jorden for at neutralisere dens negative ladning, og negative ioner stiger op i elektrosfæren for at neutralisere den. Dermed er kredsen sluttet.

Hvordan et lyn dannes

Det er naturligvis vanskeligt at studere lynene inde i skyen; det er et temmelig ukomfortabelt sted for videnskabsmanden og hans fintmærkende instrumenter. De lyn der farer ned til jorden kan derimod fotograferes med hurtige kameraer, og ad denne vej har videnskabsmændene lært meget om hvordan et lynglimt udvikler sig. Her er det billede der toner frem:

Fra laboratoriestudier ved man at et lynglimt begynder når det elektriske felt opnår en styrke på omkring 3.000.000 volt pr. meter. Der sker det at de få elektroner der hele tiden frigøres som følge af den kosmiske stråling, ved denne spænding påvirkes så hårdt at de slår andre elektroner løs fra de neutrale molekyler de rammer. Disse elektroner tager også fart, kolliderer med nye molekyler, og ioniserer dem. På denne måde opbygges der en veritabel lavine af elektroner som bevæger sig bort fra den negative ladning i skyen, efterladende sig et spor af positive ioner i sit „kølvand“. Dette nedbryder luftens modstand og baner en vej gennem det isolerende tæppe for det lyn der er ved at dannes.

Kameraer som er indrettet til at fastholde handlingen i så korte øjeblikke at de måles i milliontedele af et sekund (mikrosekunder), viser at dette foregår i etaper. Første etape af et „anførerlyn“ bryder ud af skyen et sted hvor luftens modstand for et øjeblik er svagere, og elektronlavinen skyder omkring halvtreds meter frem. Dér „mister den vejret“, så at sige, og holder et øjeblik inde mens den elektriske spænding ude i spidsen opbygges, Efter cirka halvtreds mikrosekunder fortsætter den, måske i en anden retning, alt efter hvor den ioniserede luft yder den svageste modstand. Således åbner de efterfølgende etaper trin for trin en kanal af stærkt ioniseret luft på én til ti meters bredde ned mod jorden.

Da luften er mere ioniseret nogle steder end andre, slynger anførerlynet sig hele tiden ud og ind mens det søger at udnytte de gunstigste muligheder. Det er grunden til at lynet får sin karakteristiske, grenede facon. Det forgrener sig snart i én retning, snart i en anden, i sin søgen efter den letteste vej til jorden. Når det kommer inden for en afstand af 50 meter til sit mål, skyder en stråle op fra et velegnet punkt på jorden og møder det. Hermed er kredsen sluttet! Skyen har fået en forbindelse hvorigennem den kan slippe af med sin ulidelige byrde af overskydende elektroner.

Først strømmer de elektroner i kanalen der befinder sig nærmest jorden igennem, ned mod jorden, straks efterfulgt af dem der presser på ovenover. Derpå farer det klartlysende tilbagelyn op mod skyen med en hastighed der nærmer sig lysets. Mens det måske har taget det første lyn 20.000 mikrosekunder at nå ned til jorden, klarer tilbagelynet samme strækning på blot 70 mikrosekunder. I måske 40 mikrosekunder udtømmer skyen nu en elektrisk strøm på 10-20.000 ampere eller mere. I dette korte øjeblik udvikler den en kraft på milliarder af kilowatt — større kraft end alle elektriske kraftværker tilsammen. I sandhed en ærefrygtindgydende kraftudfoldelse!

Det er hurtigt overstået, men det er sjældent enden på sagen. Lynets bane gennem luften er stadig stærkt ioniseret. De stærke elektriske ladninger der befinder sig i andre dele af skyen, skynder sig nu hen til den del der er blevet afladet, og fortsætter ned gennem den kanal der stadig er åben til jorden. Af den grund forekommer der som regel tre eller fire lyn i træk, så hurtigt efter hinanden at de ser ud som et enkelt lynglimt. I nogle tilfælde skal der mere end en halv snes udladninger til før skyen er afladet.

På kun en femtedel sekund har lynet gjort sit arbejde. Tilbage er tordenen. Man hører måske et brag, en rullen eller en rumlen, alt efter hvor langt man er borte fra lynet. I lynets bane er en kroget luftsøjle på nogle få centimeters tykkelse blevet opvarmet til mere end 30.000 grader Celsius. Denne overophedede luftsøjle udvider sig med eksplosiv kraft, med en hastighed der er større end lydens. Chokbølgen fra denne udvidelse udgør tordenen, der kan høres op til femogtyve kilometer bort.

Du undrer dig måske over hvorfor Skaberen har frembragt dette fænomen, tordenvejret. Tjener det noget formål? Ja, det gør det. Det spiller en yderst vigtig rolle i naturens kvælstofkredsløb. Kvælstof er en livsbetingelse, og der findes uhyre mængder af det i atmosfæren. Men de levende organismer kan ikke optage det direkte. Under lynnedslag spalter den stærke varme imidlertid både kvælstofmolekyler og iltmolekyler i atomer, og under afkølingen forbindes mange af disse atomer til kvælstofilter. Disse forbindelser opløses af regnvandet og vaskes ned i jorden. Dér udgør de, omdannet til nitrater, et vigtigt gødningsstof for planterne. Dette er en vigtig proces til naturlig binding af kvælstof. Det anslås at der hvert år som følge af tordenvejr fremstilles milliarder af tons nitrat.

Udendørs i tordenvejr

Når lynet er på spil, har man god grund til at føle sig ilde til mode. Dets ødelæggelseskraft er enorm. Det splintrer træer og telefonmaster, slår huller i tage og mure og sætter skove og bygninger i brand. Når lynet slår ned i et træ er den elektriske strøm ofte så stærk at træets fugtighed fordamper på et øjeblik, og den overophedede damp sprænger bogstavelig talt træet i stumper og stykker.

Lynet kan også dræbe. Dyr der i tordenvejr søger ly under et træ, bliver ofte slået ihjel hvis lynet slår ned i træet. Mennesker lider hyppigt samme skæbne, især på strandbredder og golfbaner. Fritstående træer sådanne steder er sandsynlige mål for lynnedslag. Hvis man er udendørs og overraskes af et tordenvejr, skal man derfor ikke søge ly under et fritstående træ. I skoven skal man holde sig borte fra høje træer. Man bør også undgå trådhegn, rørledninger og banelegemer. Man er mere sikker i en dal end på en bakketop.

Hvis man bor i et område hvor det ofte er tordenvejr, gør man klogt i at beskytte sit hus med lynafledere. For at være effektive må de have god jordforbindelse. Lodrette afledere der med en svær tråd (isoleret fra bygningen) er forbundet med et metalkabel eller en metalplade som er gravet ned i jorden, vil tiltrække lynet og lede det ned i jorden uden at det gør skade. Fjernsynsantenner og el-ledninger der fører ind i huset, kan lynsikres.

Hvis man opholder sig i en bil eller et tog under et tordenvejr, har man intet at frygte. Vognens metalkarosseri spreder den elektriske strøm og leder den ned i jorden. Flypassagerer er også i sikkerhed for lynet. Fly er ikke så sjældent blevet ramt af lyn, og undertiden er der slået små huller i deres metalskrog, men der forlyder intet om at noget fly er styrtet ned direkte som følge af lynnedslag. Men de voldsomme vinde i tordenvejret er naturligvis en fare som piloten viseligt styrer langt udenom.

Hvis man tager disse forholdsregler kan man være rolig i tordenvejr, og glæde sig over denne storslåede udfoldelse af Skaberens magt. Og når man ved noget om hvorfor det lyner, kan man have endnu større værdsættelse af denne ærefrygtindgydende kraft der udfoldes på himmelen.

[Oversigt på side 18]

Et typisk lynnedslag

Længde: 5 kilometer

Udladninger pr. nedslag: 3 eller 4

Højeste strømstyrke: 20.000 ampere

Spænding: 100.000.000 volt

Største kraft: 2.000.000.000 kilowatt

Varighed: 1/5 sekund

[Diagram på side 15]

(Tekstens opstilling ses i den trykte publikation)

Det elektriske kredsløb i jorden og atmosfæren

Elektronernes vandring i kredsløbet

Stærkt positivt ladet (underskud af elektroner)

Stærkt negativt ladet (overskud af elektroner)

Lyn

Svagt positivt ladet (elektroner frastødes af skyen)

Svagt negativt ladet (overskud af elektroner)

Vandrende ioner (i godt vejr)