Yıldırımlar Nasıl Oluşur?

Siz bu yazıyı okurken yeryüzünde 2000 kadar elektrikli fırtına oluyor ve her saniye 100 kadar yıldırım düşüyor. Bazılarımız yıldırımları hayranlıkla izlerken kimimiz neden oldukları gök gürültüsüyle tedirgin oluruz.

Aslında yıldırımın benzerleriyle her gün çarpılıyoruz. Saçınızı tararken, kazağınızı çıkarırken, hatta bir kediyi severken bazı çıtırtılar duymuşsunuzdur. Bazen de elinizi bir arkadaşınıza ya da metal bir cisme yaklaştırdığınızda bir çıtırtıyla birlikte canınız yanar. Eğer bu olayları karanlıkta gözlemleme imkânınız olduysa sesle birlikte ışık çıktığını da görmüşsünüzdür. İşte bu gördüğünüz ışık yıldırımla, duyduğunuz ses de gök gürültüsüyle aynı şekilde oluşur. İkisinin de sorumlusu elektrik atlamalarıdır.

Yıldırımların nasıl oluştuğunu anlamak için elektriğin ne olduğunu bilmek gerekir. Maddenin temel yapıtaşları olan atomlar ve atomların oluşturduğu moleküller; elektron, proton ve nötron olarak adlandırılan parçacıklardan oluşur. Elektron ve protonlar elektrik yüküne sahiptir. Elektronlar eksi (-), protonlarsa artı (+) yüklüdür. Nötronlar elektrik yükü taşımazlar. Eğer bir cisim bir şekilde eksi yükten daha fazla artı yük içeriyorsa cismin toplam yükü artı olur. Bunun tersi de geçerli. Yani, cisim artı yükten daha fazla miktarda eksi yük içeriyorsa toplam yükü eksi değerde olur. Elektrik yükü bulunan iki cismi birbirine yaklaştırırsanız aralarında görünmez bir kuvvet olduğunu görürsünüz. Eğer her iki cismin yükü aynıysa (artı ve artı ya da eksi ve eksi) cisimler birbirini iter. Farklı yüklerse (artı ve eksi) birbirini çeker. Doğadaki görkemli olaylardan biri olan yıldırımların arkasındaki güç de bundan gelir. Normal koşullarda farklı yükler birbirini çektiği, aynı yükler de birbirini ittiği için atomlar ve moleküller yüklerini dengelemek için, yani yüksüz olma yönünde çaba gösterir. Yıldırımlar ve şimşekler bulutların farklı bölgelerinin elektriksel olarak yüklenmesiyle oluşur. Bunun için buluttaki yüklerin bir şekilde birbirinden ayrılması gerekir. Bu ayrışmanın nasıl olduğu tam olarak açıklanamıyor ve bu konuda birden fazla kuram var. Yıldırım araştırmaları, su damlalarının eksi yükle yüklendiğini ve havadan ağır olan bu damlacıkların bulutun alt katmanlarına çöktüğünü gösteriyor. Üzerinde en çok durulan kuram, moleküllerin bulutun içinde birbirleriyle sürtünmesi sonucunda elektronların atomlardan ayrılması.

Bulutlar, iyi havalarda yerden ortalama 2 km yüksekte bulunur. Ancak, hava akımlarının güçlü olduğu yaz aylarında bulutun üst kısımları 12-14 km yüksekliğe ulaşabilir. “Kümülonimbüs” adı verilen bu bulutlar, dikey doğrultuda kabarır ve atmosferin bir üst katmanı olan stratosfere ulaştıklarında tepeleri düz bir şekil alır. Yazın, suyun donma noktası olan 0°C sınırı atmosferde 3 - 5 km arasındadır (kışın bu sınır genellikle bulutun altında kalır). Bu seviyeye gelen su damlacıkları buz kristallerine dönüşür. Suyun yoğunlaşması ve donmasıyla ortaya çıkan ısı enerjisi, yukarı doğru güçlü hava akımları yaratır ve bulutun içindeki bu fırtınalar, buz kristalleri ve su damlacıklarını da yukarıya doğru sürükler. Bu sırada, bir plastik tarağın elektrik yüklenmesi gibi, buz kristalleri de sürtünmelerin etkisiyle elektrik yüklenir.

Bulutun eksi yüklü tabanı yerdeki eksi yüklü parçacıkları iter, artı yüklü olanlarını ise çeker. Böylece bulutun alt katmanlarıyla yer arasında kutuplaşma olur. Bulutun altındaki eksi yükle yerdeki artı yük arasında güçlü bir elektrik alanı oluşur ve bu kuvvet giderek daha fazla yükü bu bölgelere toplar. Bulutun altındaki elektronlar çekimin etkisiyle yere doğru uzanırken, güçlü elektrik alanı yollarındaki hava moleküllerinin iyonlaşmasına neden olur. Bunun sonucunda artı yüklü iyonlardan ve eksi yüklü elektronlardan oluşan karışım plazma olarak adlandırılır. Plazma halindeki havada elektronlar serbest kaldığı için hava iletken bir özellik kazanır. Böylece bulut ve yeryüzü arasında, çapı 1 ila 100 metre olan iletken bir koridor oluşur.

İyonlaşma nötr bir atomun elektron alarak ya da vererek elektriksel olarak yüklü hâle geçmesidir.

Öncü kollar saatte yaklaşık 400 km hızla yere doğru ilerler. Artı yüklü parçacıklar ağır olmalarından dolayı yerden pek de fazla yükselemez ve eksi yüklerden oluşan öncü yıldırımın kendilerine ulaşmasını beklerler. Aşağıya doğru ilerleyen öncü ve yerdeki artı yükler buluştuğunda plazma devreyi tamamlar. Hareketli ve hafif olan eksi yüklü elektronlar hızla bu plazma yolundan aşağı akar. Bu sırada ısınan hava bir neon lambasının ışığına benzeyen, ancak çok da parlak olmayan bir ışık yayar. Bunun hemen ardından yerdeki artı yükler ışık hızının neredeyse yarısını bulan, yani saniyede 150 bin km hızla yerden buluta doğru aynı yoldan akar. Saniyenin yaklaşık 10 binde biri kadar süren bu yük atlaması sırasında yıldırım olarak adlandırılan çok parlak ışık ortaya çıkar. Bu sırada çok yüksek miktardaki elektrik akımı sadece birkaç cm çapında bir koldan ilerlediği için çevresindeki hava aşırı ısınır (yaklaşık 33.000°C, yani Güneş’in yüzey sıcaklığının 5 katı kadar!) ve aniden genişler. İşte bu genişleme, gök gürültüsü dediğimiz patlama sesinin çıkmasına yol açar.

Yıldırım sırasında, ilk anda bulutun tümündeki yük boşalmayabilir. Bunun gerçekleşebilmesi için elektrik akımı ardı ardına aynı yolu izleyerek defalarca, sayısı 40’ı bulabilen, atlamalar yapabilir. Bazen atlamaların aynı yerde bir saniyeden çok daha kısa bir süre içinde defalarca gerçekleştiğini görebilirsiniz. Bunlara ikincil yıldırımlar denir. Eğer atlamalar birbirine çok yakın aralıklarla gerçekleşirse yıldırımı tek bir atlama gibi görürüz, ancak böyle bir yıldırım bize normalden daha uzunmuş gibi görünür. Yıldırımlar genellikle yüksek cisimlere düşer. Bunlar tepeler, yüksek binalar ve yüksek ağaçlar olabilir. Bunun nedeni, bu cisimlerin havadan daha iyi birer iletken olmaları, yükü üzerlerinde toplamaları ve böylece yeri buluta daha yakın bir hale getirmeleri. Sonuçta, yıldırım her zaman direncin en düşük olduğu yolu seçtiği için yüksek cisimlere yıldırım düşmesi olağandır. Yıldırımlar genellikle yağışla birlikte görülür. Çünkü su hem yerdeki cisimleri hem de havayı daha iyi bir iletken haline getirir. Ancak, kuru havalarda da yıldırım düşebilir.

Elektrik atlamaları yalnızca yer ve bulut arasında değil, iki bulut arasında ya da aynı bulut içinde de oluşur. “Şimşek” olarak adlandırılan bu elektrik atlamaları yıldırımlara göre daha sık görülür. Genellikle bulutun içinde oluştuklarından kendilerini bulutları aydınlatarak ve gök gürültüsüyle belli ederler. Şimşekler birbirine uzak iki bulut arasında da oluşabilir. Bu durumda yatay elektrik atlamaları görülür.

Yıldırımın yüksek binaların arasındaki alçak binalara düşme eğilimi bulunmasa da bazı yıldırımlar birkaç dala ayrılarak düşer. Bu nedenle elektrikli fırtınalar sırasında evde bile olsak bazı önlemler almak gerekir. Örneğin telefon, metal borular ve su şebekesinin bulunduğu yerlere yaklaşmamak yerinde olur. Böyle durumlarda telefonla konuşmak, duş yapmak ve muslukları kullanmak tehlikelidir. En büyük tehlike elektrikli bir fırtınaya açık havada yakalanınca ortaya çıkar. Böyle bir durumla karşılaşınca ağaçlar, bayrak, telefon direkleri gibi uzun cisimlerden uzakta durmak gerekir. Vadiler ve alçak alanlar, tepelere ve düz alanlara göre daha güvenlidir.

Fırtınaya açık alanda yakalanırsanız yapılacak en iyi şey metaller gibi iletken cisimlerden uzak durmaktır. Eğer saçlarınızın elektriklendiğini hissederseniz ayaklarınızı birleştirip yere çömeldiğiniz takdirde çarpılma olasılığınız azalır. Yere uzanmanın böyle bir durumda güvenli olmadığı düşünülüyor. Çünkü yakına düşen bir yıldırımda yüzeyden ilerleyen elektrik akımı vücudun içinden de geçecektir. Grup halindeyseniz en iyisi bireylerin birbirinden uzak mesafelerde durmasıdır. Eğer ormanlık alandaysanız alçak ağaçların bulunduğu bir yerde beklemeniz gerekir. Elbette en iyisi elektrikli fırtınalar sırasında dışarı çıkmamak.

Kaynaklar:

• Lascar, O., “Au Coeur des Orages”, Science & Vie Junior, Temmuz 2002.
• Gemmel, K., Fırtınalar ve Kasırgalar, TÜBİTAK Popüler Bilim Kitapları, Ankara.
• Watt, F. ve Wilson, F., Hava ve İklim, TÜBİTAK Popüler Bilim Kitapları, Ankara.
• http://www.lightningsafety.noaa.gov
• http://www.exploratorium.edu