2018 nyarán egy heves vihar közepén gigantikus villám pattant ki egy holland rádiótávcső-hálózat felett. A teleszkópok részletesen rögzítették a történteket, az adatok részletes elemzése pedig mostanra fejeződött be. A vizsgálat olyasmit tárt fel, amire korábban nem volt példa: a szakértőknek az adatok alapján először sikerült részletesen rekonstruálni, mi történik egy viharfelhő belsejében villámláskor.
A tankönyvi magyarázat szerint a felhőkben a nagyobb jégkristályok lefelé hullanak, míg a kisebbek felfelé emelkednek. Eközben a kristályok egymáshoz érnek, és elektronok hántódnak le róluk, aminek hosszabb távon az az eredménye, hogy a felhő felső része negatív töltésű lesz, az alsó pedig pozitív. Az így generálódott elektromos mező addig erősödik, amíg egyszer csak egy hatalmas elektromos kisülés nem képződik.
Ezzel a modellel azonban az a probléma, hogy a mérések szerint a felhők belsejében lévő elektromos mezők egy nagyságrenddel gyengébbek, mint ami a villámhoz hasonló kisüléshez szükséges lenne. A szakértők évtizedek óta küldenek szondákat a viharokba, és senki sem detektált olyan erejű mezőket, amelyek magyarázatot adnának a villámok keletkezésének ilyen eredetére, mondja Joseph Dwyer, a New Hampshire-i Egyetem kutatója, az új vizsgálat egyik résztvevője, aki a Groningeni Egyetem kutatóival együtt dolgozik a rejtély megoldásán.
A villámok keletkezésének tanulmányozását nehezíti, hogy a felhőkbe nehéz belelátni, így oda kell menni, vagy oda kell küldeni valamilyen műszert, hogy a meg lehessen figyelni a fejleményeket. A felhőkbe küldött szondák viszont jelentősen beleavatkoznak a természetes rendszerbe, és maguk is hajlamosak villámokat generálni, olyanokat, amelyek alapjáraton nem pattannának ki.
Dwyer és társai ezért döntöttek úgy, hogy a LOFAR nevű rádiótávcső-hálózattal kívülről kísérlik meg tanulmányozni egy viharfelhő „élettanát”. A hálózat fő funkcióját tekintve távoli galaxisok és csillagrobbanások vizsgálatára szolgál, de mint kiderült, a villámok tanulmányozására is ideális. A műszereket így a közeledő viharkor a légköri rádiójelek detektálására irányították, amelyekben minden villám bővelkedik.
A villámok rádiódetektorokkal való figyelése nem újdonság, ilyenekkel régóta vizsgálják a viharokat. Az erre a célra szolgáló rendszerek azonban nagyon alacsony felbontású képeket biztosítanak, így a folyamat részleteibe nem nyújtanak bepillantást. A LOFAR viszont méteres pontossággal tudta monitorozni az eseményeket, ráadásul 200-szor gyorsabban rögzítette az adatokat, mint bármely más korábbi villámfigyelő rendszer.
A villám kipattanásakor több millió rádiópulzus képződik, és a kutatók ezeket térképezték fel. Így jöttek rá, hogy a kérdéses viharfelhőben megfigyelt villám kapcsán minden rádiójel a felhő egy 70 méter mélységű régiójából ered. A rádiópulzusok megfigyelt mintázata ráadásul rögtön meg is erősítette a villámok képződésével kapcsolatos két vezető teória egyikét.
Eszerint a folyamat a felhő belsejében található jégkristályokkal kezdődik. A köztük bekövetkező ütközések nyomán a kristályok elektronokat választanak le egymásról, így minden kristály egyik vége pozitív, a másik negatív lesz. A pozitív vég aztán elektronokat von el a közeli molekuláktól, amelyek aztán távolabbi molekulákkal teszik ugyanezt. Az áramló elektronok streamereknek nevezett ionizált sávokat formálnak, amelyek a kristályok végéből nyúlnak ki.
A kristályok mindegyike több streamert tart fenn, amelyek újra és újra elágaznak. Ezek felmelegítik a környező molekulákat, így még nagyobb töltés áramlik a kristályok felé. Idővel az egyik streamer annyira forró és erős lesz, hogy leaderré válik, egy olyan csatornává, amely mentén a kipattanó villám „utazik”. A friss adatok pedig pontosan azt a modellt támasztják alá, mondják a kutatók. A rádióadatok kezdetben streamerek tömegét mutatják, majd megjelenik a leader, és maga a villám.
A villámok keletkezése kapcsán még így rengeteg a megválaszolandó kérdés, hiszen azt a friss adatok sem mutatják, hogyan kezdődik az egész folyamat, és hogyan indul a kisülés. Lehetséges, hogy ebben a másik vezető elmélet egyik fontos eleme, a kozmikus részecskék is szerepet játszhatnak. A kutatók azt remélik, hogy a LOFAR-t ismét használva újabb részletek derülhetnek ki. A rendszer a jövőben akár milliméteres pontossággal is képes lehet monitorozni a villámok keletkezését, így sok új részletet tárhat fel, mondják a szakértők.
