Vi begynder at knække mysteriet om, hvordan lyn og tordenvejr fungerer

Forestil dig at ligge på en grøn bakke og se skyerne gå forbi på en smuk dag. De skyer, du sikkert tænker på, er kumulerede skyer, dem, der ligner luftige kugler af vat. De virker uskyldige nok. Men de kan vokse til den mere formidable cumulonimbus, stormskyen. Det er monstrene, der producerer torden og lyn. De er stærke, ødelæggende og intenst mystisk. De kan også blive meget mere almindelige, som gør forståelsen af ​​deres virke - og deres virkninger på den menneskelige verden, herunder hvordan vi konstruerer bygninger eller elledninger – vigtigere end nogensinde.

Mange skyer dannes, når varm våd luft stiger til store højder, hvor det bliver koldere og kondenserer til vanddråber. Tordenvejr opstår, når en sky, der dannes på denne måde, hurtigt vokser sig meget stor, suger mere og mere vanddamp ind. Der følger næsten altid nedbør og kraftig blæst. Og selvfølgelig, lyn. Lyn kan virke ret sjældent, men det er sket omkring 700 gange - vi får omkring 100 strejker i sekundet - et eller andet sted rundt om på kloden i den tid, det har taget dig at læse denne sætning.

Lyn- og tordenvejr ser ud til at blive mere almindelige, og der er forslag om, at dette vil fortsætte som følge af den globale opvarmning. I 2014 Professor David Romps ved University of California, Berkeley, OS, udviklet en atmosfærisk model, der forudsagde, at lynet vil stige med 12 % for hver grad Jorden opvarmes. Der er nogle indikationer på, at dette kan ske allerede. Forskere i Holland har set på antallet af brande startet af lyn i skovene i Alaska og Canada og fundet, at disse er steget med 2% til 4% om året i de sidste 40 år.

Vi forstår ikke lynet godt. Hvis, for eksempel, du skulle filme et lynnedslag og afspille det i super slowmotion, du vil bemærke, at strejken fortsætter i trin. Den holder pause et stykke tid med mellemrum, før den går videre, siger Dr. Alejandro Luque ved Institut for Astrofysik i Andalucía i Granada, Spanien. Men vi ved ikke, hvorfor det sker. Han siger, at der er et par artikler om dette, men i det væsentlige ingen accepterede teorier.

Sprites

Dr. Luque regner med, at han måske har indsigt i problemet, imidlertid, gennem sit arbejde med at studere et endnu mere utroligt, men bedre forstået elektrisk fænomen - sprites.

Sprites er enorme, farvede lysstråler, der opstår mellem 50 og 90 kilometer over jorden, langt højere end tordenvejr. Deres eksistens har været i tvivl i årevis, da de er svære at se fra jorden. Dr. Luque studerede dem hovedsageligt ved at se på billeder taget af forskningsfly.

Selvom de er mindre kendte end lyn, sprites fysik er lettere at studere, fordi i så høj højde, der er lidt luft, og derfor sker elektriske udladninger langsommere og ved koldere temperaturer. Lyn skaber temperaturer varmere end solens overflade. Men Dr. Luque siger, at sprite-udledningskanaler har 'stort set samme temperatur som den omgivende luft'.

Kanalerne i sprites er lavet af mange små filamenter kaldet streamers. Og mens streamerne forplanter sig, nogle pletter i dem lyser mere klart og vedvarende. I sprites, den klare glød er takket være elektronernes opførsel, siger Dr. Luque. I nogle områder af streameren, elektroner binder sig til luftmolekyler, og dette øger styrken af ​​det elektriske felt, producerer stærkere lys.

Trin

Denne forklaring er ukontroversiel, siger Dr. Luque, men hvad vi ikke ved er, om - som han formoder - en analog proces kunne forklare, hvorfor lynet selv fortsætter i trin. I forbindelse med lyn, i lavere højder, der er flere luftmolekyler, og vedhæftningen af ​​elektroner til dem kunne løse sig på en lidt anden måde for at frembringe trinmønsteret. Dr. Luque ønsker at finde ud af, om dette er rigtigt gennem hans eLightning-projekt.

Han og hans elev Alejandro Malagón-Romero opstillede denne hypotese i 2019. Hans team arbejder nu på at opbygge en beregningsmodel af lyn for at teste, om den proces, de forventer, kan forklare stepping-adfærden.

At forstå, hvorfor lynet fortsætter i trin, vil ikke hjælpe os med at gøre det mindre farligt. Men Dr. Luque siger, at det kan være nyttigt at få en bedre forståelse af fænomenet på alle mulige andre områder. For eksempel, udladninger kan dannes omkring elektriske elledninger, og de skal derfor designes til at minimere dette. Sådanne udledninger bruges også i industrien, for eksempel, i desinficering af affaldsindustrigasser og endda i fotokopimaskiner. En bedre forståelse af, hvordan de fungerer, kan føre til forbedrede designs.

Lyn kan virke som det farligste våben i et tordenvejrs arsenal, men disse storme skaber også usædvanligt stærke vinde.

Europas vejr er domineret af luftsystemer kendt som ekstratropiske cykloner, spiralformede luftstrømme, der bringer vind og regn med sig, når de fejer hen over en region. Den gennemsnitlige europæiske by ser mellem 70 og 90 om året, og forskerne har en god forståelse af, hvordan de fungerer. Disse storme kan være stærke, selvom de ikke altid er det.

Når en bygning bygges i Europa, designerne skal sørge for, at den kan modstå kraftig vind, og de modeller, de bruger til dette, er baseret på ekstratropiske cykloner. Problemet med dette er, at det ikke tager højde for vinde, der menes at være sjældne - som vinde fra tordenvejr.

Tordenvejr

For at forstå hvorfor dette betyder noget, du skal forstå forskellen mellem cykloner og tordenvejr. Først, tordenvejr er mere intense end cykloner. Mens en cyklon kan vare i tre dage, kan et tordenvejr være forbi på 20 minutter. Så i stedet for en moderat, vedvarende vind får du et anfald af meget kraftige vindstød. Sekund, og endnu vigtigere, er hvordan vindens styrke varierer afhængigt af højden. Cykloner bliver stærkere og stærkere højere oppe. Tordenvejr, på den anden side, har tendens til at producere vinde, der starter omkring 100 m op og blæser nedad, med vinden, der bliver stærkere, efterhånden som den falder. 'En normal vind blæser parallelt med jorden, men et tordenvejr blæser nedad. Det er helt anderledes, sagde professor Giovanni Solari ved universitetet i Genova i Italien.

Sæt alt dette sammen og resultatet, siger prof. Solari, er, at vi overkonstruerer vores højeste bygninger, især skyskrabere, og underudviklede lavhuse og strukturer såsom værftskraner. De øverste 200 meter af en 300 meter høj skyskraber får sandsynligvis ikke et slag af et tordenvejr, men vi designer dem, som om de ville, fordi vores modeller antager, at vinden bliver stærkere højere oppe. 'Vi gør bygninger for sikre, ' han sagde. På den anden side, små traner kan vælte plaget af tordenvejr, som producerer deres stærkeste vind ved jordoverfladen.

Prof. Solaris mål, gennem THUNDERR-projektet, er at rette op på dette, som kunne gøre byggeriet mere effektivt og billigere, ved at producere en model af tordenvind, der kan bruges til at hjælpe med at designe bygninger. Det første skridt var at tage et syntetisk tordenvejr skabt i en vindtunnel i verdensklasse ved University of Ontario i Canada og lave en model af dette. Det er nu gjort, siger prof. Solari, og hans modeller gør et godt stykke arbejde med at fange, hvad disse syntetiske storme gør. Men det var den nemme del.

Nu går han videre til at modellere rigtige tordenvejr, hvor der er stor variation. At hjælpe, Prof. Solari og hans team har konstrueret et netværk af 45 vejrtårne ​​fordelt rundt om Middelhavskysten designet til at fange data om vinde skabt af tordenvejr.

'Folk plejede at tro, at tordenvejr var sjældne, sagde Prof. Solari. »Det var, fordi vi ikke kunne se dem. Netværket har nu registreret en database med 250 tordenvejrsrekorder. Planen er nu at tilpasse den oprindelige model til at tage højde for alle disse forskellige tordenvejr og være virkelig repræsentativ.'

Forskningen i denne artikel er finansieret af EU's Europæiske Forskningsråd. Hvis du kunne lide denne artikel, overvej at dele det på sociale medier.