A villámkisülés maga is tranziens jelenség, a természetben bekövetkező áramimpulzus, amely egyben elektromágneses sugárzás forrása. A villámkisülés közben keletkező elektromágneses sugárzás spektrális összetétele az igen nagy frekvenciáktól (MHz) egészen kicsiny, néhány Hz-es frekvenciákig terjed. Ezek az elektromágneses hullámok a frekvenciájuk függvényében a villámkisülés helyétől mérve különböző távolságig észlelhetők. A Schumann-rezonanciák frekvenciatartományában (néhány Hz-től néhányszor 10 Hz-ig) ezek a hullámok akár többször is körbeszaladhatnak a Föld körül a felszín és az ionoszféra által alkotott hullámvezetőben, amely üregrezonátorként viselkedik a Föld kerületével összemérhető hullámhosszakon (Schumann, 1952). A hullámok fázis-összeadódása és -kioltása következtében rezonanciacsúcsok jelennek meg a spektrumban ~8 Hz-nél, ~14 Hz-nél, ~20 Hz-nél, ~ 26 Hz-nél stb. Az alapmódus (8 Hz) esetében kb. 0,5 s a lecsillapodáshoz szükséges idő, így a másodpercenként átlagosan mintegy negyven-ötven alkalommal bekövetkező villámkisülés biztosítja a Föld-ionoszféra üregrezonátor állandó gerjesztését. A teljes rezonanciaspektrum a globális villámlás során kisugárzott elektromágneses energia inkoherens szuperpozíciója révén alakul ki, és ezt háttér Schumann-rezonanciának (SR) nevezünk. A Schumann-rezonancia tranziensek egyedi, energetikus villámok keltette elektromágneses impulzusok, amelyek koherens jelek formájában szuperponálódnak a vertikális elektromos (Ez) és a két horizontális mágnesestér-komponens (HÉD, HKNy) háttér SR-értékeire, ahogyan az 1. ábrán is látható. Hazánkban a Schumann-rezonanciák mérése az MTA Csillagászati és Földtudományi Kutatóközpont (CSFK) Széchenyi István Geofizikai Obszervatóriumában folyik 1993 óta (Sátori et al., 1996).

Az 1. ábrán a nagycenki állomás melletti kis képen a vertikális elektromos tér változásait mérő gömbantenna látható. A körök az optikai állomások észlelési tartományait határolják. Az állomások melletti képek egy-egy olyan vörös lidércet mutatnak, amelyet arról az észlelőhelyről fényképeztek; fölöttük az azokat kiváltó villámkisülések által keltett SR-tranziensek idősorai láthatók, amelyeket a nagycenki SR-állomás rendszere rögzített. A függőleges vonalkák 0,1 másodperces időjelek. Alattuk látható a forrásvillámok becsült töltésmomentum-változása, amelyet az idősorok feldolgozása alapján határoztunk meg.

Az SR-tranziensekből meghatározható az ezeket keltő villám polarizációja, földrajzi helye (beérkezés iránya és távolsága), valamint a függőleges töltésmomentum változása (Bór, 2011) még azokban a régiókban is, ahol a villámmegfigyelő hálózatok sűrűsége nem kielégítő, nevezetesen a trópusokon, elsősorban Afrikában (Kongó-medence), ahol a legtöbb villám keletkezik, valamint az óceánok térségében. A polarizációt, azaz egy felhő-föld villámnál a felhőben kisülő töltéscentrum töltésének előjelét a vertikális elektromos térben tapasztalt első elugrás előjele szabja meg. Az előjeltől függően beszélünk pozitív vagy negatív felhő-föld villámról (vagy kvázi-vertikális kisülési csatornát is létrehozó egyéb villámról, ahol a kisülő töltéscentrumok előjel szerinti relatív vertikális elhelyezkedése ugyanolyan értelmű). A kisülés függőleges töltésmomentum-változása a kisülési csatorna függőleges vetülete hosszának és az átáramlott töltésmennyiségnek a szorzata. Az SR-hullámhosszakon elvileg a Föld bármely térségében keletkező villámokra meghatározhatók a fenti paraméterek, akár egyetlen SR-állomás vertikális elektromos és horizontális mágneses tér adataiból. Az egyetlen SR-állomás mérésein alapuló lokalizáció a távolságfüggő, de a forrás tulajdonságaitól független hullámimpedancia-spektrum (az elektromos tér vertikális komponense és a mágneses tér horizontális komponense hányadosának amplitúdóspektruma) mért és modellezett értékeinek összehasonlításán alapszik. A lokalizáció pontossága korlátozott, a tényleges távolság kb. 10%-a. Mivel az érzékeny észlelőrendszer mérőcsatornáját telítésbe viszik a közeli villámkisülések erős jelei, a helymeghatározás csak kb. 1000 km-nél távolabbi források esetén végezhető el. Annál is inkább, mivel a távolság meghatározásához használt modellekben alkalmazott közelítések is csak nagyobb forrásészlelő távolság esetén teljesülnek. A lokalizáció pontossága bizonyos mértékig növelhető több állomás SR-tranziensein alapuló háromszögelés révén. Ez esetben a keltő villám helyét a mágneses tér komponenseiből számított Lissajous-görbékre vett merőleges irányok metszéspontja adja. A villámkisülés (forrás) helyének a megfigyelőtől vett távolsága ismeretében a forrás függőleges árammomentum-spektruma előállítható a térkomponensek mért spektrumának és a forrásmegfigyelő távolsághoz tartozó modell térkomponens-spektrumának hányadosaként. A kisülés függőleges töltésmomentuma az árammomentum integrálja a kisülés ideje alatt.

Az egyedi energetikus villámokhoz, amelyet az SR-tranziensek jeleznek, számos esetben változatos formájú tranziens felvillanások (TLE – Transient Luminous Event) is társulnak a felső légkörben, a zivatarfelhő teteje és az ionoszféra alja között. Ezeket nevezzük felsőlégköri elektro-optikai emisszióknak (FEOEM).

Az 1. ábra térképén az Ibériai-félszigeten, valamint a Földközi-tenger keleti medencéjében lezajló zivatarok energetikus villámai által keltett optikai és elektromágneses tranziens jelenségek közül láthatunk két példát. A villámkisüléshez kapcsolódó SR-tranzienseket a Nagycenk melletti Széchenyi István Geofizikai Obszervatóriumban regisztráltuk a vertikális elektromos és a két horizontális mágneses térkomponensben. Az Ez térkomponens előjele (felfelé történő elugrás) pozitív felhő-föld villámot jelez forrásként. A térkomponensek alapján számított töltésmomentum-változások (1280 Ckm és 1870 Ckm) mértéke valóban energetikus villámokra utal. Ezen villámokhoz FEOEM-ek is csatlakoztak az említett két térség zivatara felett, ahogyan azt az optikai észlelések is mutatják.

A FEOEM-ek tudományos kutatása csupán a múlt század végén kezdődött el, amikor véletlenszerűen, egy kamera tesztelése során kapták lencsevégre (Franz et al., 1990) a FEOEM-ek egyik gyakori fajtáját, amely később az angol nyelvű szakirodalomban sprite-ként, később a hazai irodalomban vörös lidércként honosítva vált ismertté. A vörös lidérc magyar elnevezés a jelenség színéből

és illékony voltából adódott. Az emissziók színét 50–60 km-es magasság fölött a szabad elektronokkal való ütközések közben gerjesztett semleges nitrogénmolekulák relaxációjából eredő vörös, közeli infravörös sugárzás adja. A felvillanás időtartama legfeljebb néhányszor 10 ms, emberi szemmel éppen hogy csak érzékelhető. Ez a látványos felvillanás óriási térrészt tölthet ki mintegy 40 km-től 90 km magasságig, akár 50 km horizontális kiterjedéssel, különböző alakzatok formájában, és szinte kizárólag pozitív felhő-föld villámkisüléshez kapcsolódik.

Napjainkban a FEOEM-eknek már számos típusát ismerjük (2. ábra). Közülük a vörös lidércek, a lidércudvarok és a gyűrűlidércek kialakulása köthető egyedi troposzferikus villámkisülésekhez. A többféle nyaláb (jet) jelenség inkább a zivatarfelhő felső töltésgócaiban történő extrém intenzitású töltésfelhalmozódás következménye. A vörös lidércek és lidércudvarok a felső légkörben bekövetkező légköri kisüléseket kísérő fényjelenségek. A leggyakrabban 60–80 km-es magasságtartományban bekövetkező kisülésért felelős elektromos tér nagy függőleges töltésmomentumú felhő-föld kisüléseket követően alakulhat ki a zivatarfelhőben közvetlenül a villámkisülés után maradó töltéstöbblet és az elektromosan jól vezető ionoszféra alja között. Ha kiterjedt ködfénykisülés jellegű jelenség következik be, akkor lidércudvar figyelhető meg, míg ha a környező elektromos térben haladó fókuszált kisülési frontok (ún. streamerek) alakulnak ki, akkor vörös lidércről beszélhetünk (Bór – Barta, 2011). Egy kellően impulzív, ugyanakkor időben tovább fennmaradó áramú intenzív villámkisülés akár mindkét jelenséget elő tudja idézni (például 3c ábra). A gyűrűlidércek kialakulása ettől eltérően a villámkisülés elektromos impulzusának és az alsó ionoszféra közötti kölcsönhatásnak köszönhető. Az éjszakai alsó ionoszféra kb. 90–100 km-es magasságban nyeli el leghatékonyabban az elektromágneses impulzus energiáját, amit vöröses fény formájában sugároz vissza.

Valamennyi FEOEM nagy magasságban alakul ki, így alacsony nyomású légköri kisülési jelenségekhez társul. Alacsony nyomáson végbemenő kisülési jelenségeket (hideg plazmát) alkalmazó technológiával az élet számos területén találkozhatunk, például a világítástechnikában, textíliák és műanyagok felületkezelésével összefüggésben, kémiai reakciók katalízise kapcsán, de akár a gyógyulási folyamatok gyorsításánál is, sebkezeléseknél. A FEOEM-ek tanulmányozása viszonylag egyszerű és gazdaságos lehetőséget nyújt az alacsony nyomáson bekövetkező gázkisülési jelenségek tulajdonságainak vizsgálatához, ami nemcsak a létező alkalmazások továbbfejlesztéséhez járulhat hozzá, hanem a Föld körüli térség tanulmányozásának új útját is jelenti. Természetesen ezeknek a lehetőségeknek a realizálásához a FEOEM-eket kiváltó elektromos folyamatok, a megjelenési környezetük állapota és a kialakuló FEOEM-ek tulajdonságai közötti összefüggésrendszer alapos megismerése szükséges.

A villámkisülésekhez társuló FEOEM-ek megfigyelése Sopronban, a CSFK Geodéziai és Geofizikai Intézetének tetejéről történik 2007-től kezdődően. Innen Közép-Európában kialakult zivatarok felett keletkező FEOEM-eket lehet fényképezni Sopron kb. 600–700 km-es körzetében a különböző irányokban eltérő távolságokra, a közeli objektumok takarásától függően. A látványos jelenségből mutat be néhányat a 3. ábra. A jelenség impozáns méretét jól érzékelteti az a) felvétel, ahol alul látható a soproni TV torony, a „vörös lidérc” pedig Szlovéniában, Soprontól mintegy 160 km-re levő zivatar felett következett be.

Az MTA CSFK GGI kutatócsoportja a Nagycenk melletti Széchenyi István Geofizikai Obszervatórium SR-tranziens méréseivel és a FEOEM-ek megfigyelésével számos nemzetközi mérési kampányban és munkában vett és vesz részt. Többek között a tragikus végű Columbia űrmisszió során, a Csendes-óceán délnyugati medencéje felett lefényképezett hatalmas gyűrűlidérc forrásvillámát felszíni SR-tranziensek, pl. a nagycenki SR-tranziens analízisével lokalizálták (Price et al., 2004). A vörös lidércekhez kapcsolódó polaritásparadoxon feloldásához hozzájárult a műholdakról a szubtrópusi övezetben megfigyelt lidércudvarokat keltő villámok polaritásának meghatározása a nagycenki SR-tranziens mérések alapján (Williams et al., 2012).
 

A hazai kutatásokat a K72474 számú OTKA-pályázat támogatta.
 

Kulcsszavak: villámkisülés, Schumann-rezonancia tranziens, felső légköri elektro-optikai emisszió
 

IRODALOM

Bór József (2011): Villámkisülésekhez társuló felső légköri elektro-optikai emissziók és Schumann-rezonancia tranziensek vizsgálata. NyME, Kitaibel Pál Doktori Iskola, PhD-disszertáció

Bór József – Barta Veronika (2011): Vörös lidércek - gigantikus „tűzijáték” a felső légkörben. Fizikai Szemle. LXI, 10, október, 343–349.

Franz, Robert C. – Nemzek, R. J. – Winckler, J. R. (1990): Television Image of a Large Upward Electrical Discharge above a Thunderstorm System. Science. 249, 4964 , 48–51. DOI: 10.1126/science.249.4964.48

Price, Colin – Greenberg, E. – Yair, Y. – Sátori G. – Bór J. – Fukunishi, H. – Sato, M. – Israelevich, P. – Moalem, M. – Devir, A. – Levin, Z. – Joseph, J. H. – Mayo, I. – Ziv, B. – Sternlieb, A. (2004): A Ground-based Detection of TLE-producing Intense Lightning during the Meidex Mission on Board the Space Shuttle Columbia. Geophysical Research Letters. 31, 20, L20107. DOI:10.1029/2004GL020711

Sátori Gabriella – Szendrői J. – Verő J. (1996): Monitoring Schumann resonances - I. Methodology. Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics. 58, 13, 1475–1481. DOI: 10.1016/0021-9169(95)00146-8

Schumann, Winfried Otto (1952): Über die strahlungslosen Eigenschwingungen einer leitenden Kugel, die von einer Luftschicht und einer Ionosphärenhülle umgeben ist. Zeitschrift für Naturforschung. A, 7, 6627–6628.

Williams, Earle – Kuo, C. L. – Bór J. – Sátori G. – Newsome, R. – Adachi, T. – Boldi, R. – Chen, A. – Downes, E. – Hsu, R. R. – Lyons, W. – Saba, M. – Taylor, M. – Su, H. T. (2012): Resolution of the Sprite Polarity Paradox: The Role of Halos. Radio Science. 47, RS2002, DOI:10.1029/2011RS004794