Yıldırım neden zikzak çizer?


Herkes şimşek görmüş ve onun gücüne hayran kalmıştır. Ancak sıklığına rağmen – dünya çapında her gün yaklaşık 8,6 milyon yıldırım düşmektedir – yıldırımın neden gök gürültüsü bulutundan yeryüzüne doğru bir dizi adım halinde ilerlediği bir sır olarak kalmıştır.

Yıldırımla ilgili birkaç ders kitabı var, ancak hiçbiri bu “zikzakların” (basamaklar olarak adlandırılır) nasıl oluştuğunu ve yıldırımın nasıl kilometrelerce yol alabildiğini açıklamıyor.

Gök gürültülü bulutlardaki yoğun elektriksel alanlar elektronları uyararak “singlet delta oksijen molekülleri” olarak bilinen molekülleri yaratmaya yetecek enerjiye sahip olmalarını sağlar. Bu moleküller ve elektronlar, saniyenin milyonda biri kadar bir süre boyunca yoğun bir şekilde yanan kısa, yüksek iletkenliğe sahip bir basamak oluşturmak üzere birikir.

Basamağın sonunda, birikme tekrar gerçekleşirken bir duraklama olur ve ardından bir başka parlak, yanıp sönen sıçrama gerçekleşir. Bu süreç tekrar tekrar tekrarlanır.

Aşırı hava olaylarındaki artış, yıldırımdan korunmanın giderek daha önemli hale geldiği anlamına gelmektedir. Bir yıldırımın nasıl başladığını bilmek, binaları, uçakları ve insanları nasıl daha iyi koruyabileceğimiz üzerinde çalışabileceğimiz anlamına gelir. Ayrıca, uçaklarda çevre dostu kompozit malzemelerin kullanılması yakıt verimliliğini artırırken, bu malzemeler yıldırım hasarı riskini artırıyor, bu nedenle ek korumaya bakmamız gerekiyor.

Yıldırım çarpmasına ne yol açar?

Yıldırım düşmesi, milyonlarca voltluk elektrik potansiyeline sahip gök gürültülü bulutların yeryüzüne bağlanmasıyla gerçekleşir. Yer ile gökyüzü arasında on binlerce derecelik bir sıcaklıkla binlerce amperlik bir akım akar.

Yıldırım fotoğrafları çıplak gözle görülemeyen bir dizi ayrıntıyı ortaya çıkarır. Genellikle buluttan gelen dört ya da beş soluk “lider” vardır. Bunlar dallanır ve yeryüzüne doğru düzensiz bir yol üzerinde zikzak çizerler.

Bu liderlerden yeryüzüne ilk ulaşan yıldırım çarpmasını başlatır. Diğer liderler daha sonra söner.

Elli yıl önce, yüksek hızlı fotoğrafçılık daha fazla karmaşıklığı ortaya çıkardı. Liderler buluttan aşağıya doğru yaklaşık 50 metre uzunluğunda “adımlar” halinde ilerlemektedir. Her adım saniyenin milyonda biri kadar bir süre için parlaklaşır, ancak daha sonra neredeyse tamamen karanlık olur. Saniyenin 50 milyonda biri kadar bir süre sonra, bir önceki adımın sonunda başka bir adım oluşuyor, ancak önceki adımlar karanlık kalıyor.

Neden böyle adımlar var? Adımlar arasındaki karanlık dönemlerde neler oluyor? Adımlar nasıl oluyor da görünür bir bağlantı olmaksızın elektriksel olarak buluta bağlanabiliyor?

Bu soruların yanıtları, enerjik bir elektron bir oksijen molekülüne çarptığında ne olduğunu anlamakta yatmaktadır. Eğer elektron yeterli enerjiye sahipse, molekülü singlet delta durumuna uyarır. Bu “metastabil” bir durumdur, yani tamamen kararlı değildir; ancak genellikle 45 dakika kadar daha düşük enerjili bir duruma düşmez.

Bu singlet delta durumundaki oksijen, negatif oksijen iyonlarından elektronları (elektriğin akması için gerekli) ayırır. Bu iyonların yerini hemen ardından yine oksijen moleküllerine bağlanan elektronlar (negatif yük taşıyan) alır. Havadaki oksijenin %1’inden fazlası metastabil durumda olduğunda, hava elektriği iletebilir.

Dolayısıyla yıldırım adımları, önemli sayıda elektronun ayrılması için yeterli sayıda metastabil durum yaratıldığında meydana gelir. Bir adımın karanlık kısmı boyunca, metastabil durumların ve elektronların yoğunluğu artmaktadır. Saniyenin 50 milyonda biri kadar bir süre sonra basamak elektrik iletebilir hale gelir ve basamağın ucundaki elektrik potansiyeli yaklaşık olarak bulutunkine yükselir ve bir basamak daha oluşur.

Önceki basamaklarda yaratılan uyarılmış moleküller buluta kadar bir sütun oluşturur. Bu durumda tüm sütun elektriksel olarak iletkendir, elektrik alanına ihtiyaç duymaz ve çok az ışık yayar.

İnsanları ve mülkleri korumak

Yıldırım oluşumunun anlaşılması, binalar, uçaklar ve ayrıca insanlar için koruma tasarımı açısından önemlidir. Yıldırımın insanlara isabet etmesi nadir olsa da, binalara, özellikle de yüksek ve izole olanlara birçok kez isabet eder.

Yıldırım bir ağaca çarptığında, ağacın içindeki özsu kaynar ve ortaya çıkan buhar basınç yaratarak gövdeyi yarar. Benzer şekilde, yıldırım bir binanın köşesine düştüğünde, betonun içine sızan yağmur suyu kaynar. Basınç binanın tüm köşesini patlatarak ölümcül çökme riski yaratır.

Benjamin Franklin tarafından 1752 yılında icat edilen paratoner, temel olarak bir binanın tepesine takılan ve toprağa bağlanan kalın bir çit telidir. Yıldırımı çekmek ve elektrik yükünü topraklamak için tasarlanmıştır. Akışı tel üzerinden yönlendirerek binayı hasar görmekten kurtarır.

Bu Franklin çubukları bugün yüksek binalar ve kiliseler için gereklidir, ancak belirsiz olan faktör her yapıda kaç tane gerektiğidir.


Kaynak: https://phys.org/news/2022-12-lightning-zigzag-mystery.html

Bu yazı Astrafizik.com tarafından Türkçeye aktarılmış olup yazının aslı phys.org sitesine aittir, orijinaline mümkün olduğunca sadık kalmak koşuluyla dilimize çevirilmis olsa da editoryal tarafından katkılarda bulunulmuştur. Bu sebeple Astrafizik.com içerik izinlerine tabidir. Astrafizik.com referans gösterilmek koşuluyla 3. tarafların kullanımına izin verilmiştir.