Lynets fysik

Et lyn er en kompleks størrelse, som udgøres af en række forskellige faktorer og mekanismer.

Elektrisk opladning

Man kender de forudsætninger, som begunstiger fremkomsten af torden. Derimod er der fortsat diskussion omkring den måde, som den elektriske ladningsfordeling i skyen opstår.

Den generelle forståelse er, at i forbindelse med dannelsen af en cumulonimbus, sker der en separation af elektriske ladninger. Således får den nedre del af skyen et overskud af elektroner, mens den øvre del får et underskud af elektroner.

En populær teori, som forklarer, hvorledes dette sker, går ud på, at de elektriske ladninger fremkommer, når såkaldte graupelpartikler (dvs. snehagl) kolliderer med iskrystaller (underafkølede vanddråber).

Laboratorieeksperimenter har vist, at tilstedeværelsen af disse vanddråber er nødvendig for, at en signifikant ladningsoverførsel skal kunne ske. Ved kollisionerne bliver graupelpartiklerne negativt ladede og iskrystallerne positivt ladede. Iskrystallerne, som er lettere, transporteres med opvindene til skyens top, mens de større graupelpartikler falder nedad i skyen.

I takt med, at områderne med positiv og negativ ladning vokser sig tydeligere, opstår et elektrisk felt mellem skyens base og dens top.

Skitse af fuldt udviklet bygesky - cumulonimbus -med indtegning af lynprocesser.

Lynet

Der opstår en spændingsforskel mellem de to luftlag med modsatte elektriske ladninger. Når forskellen bliver tilstrækkelig stor, bryder isoleringsevnen hos det mellemliggende luftlag sammen, og lynet vil springe.

Generelt skelner man mellem to typer af lyn: Sky-jord lyn og lyn, som springer mellem skyer eller mellem skyer og luft.

Jord-lynene kan have positiv eller negativ polaritet. Det afhænger af, om det springer fra den positivt eller negativladede del af skyen. Jord-lynene kan desuden være både opadgående eller nedadgående.

Der findes således fire typer jord-lyn: Negativt nedad-initieret, positivt nedad-initieret, negativt opad-initieret og positivt opad-initieret.

Cirka 90% af alle jordlyn er nedadgående negative, dvs. de fører negativ ladning med sig fra skyen til jorden. De resterende 10 procent udgøres især af nedadgående positive lyn.

Selvom vi med det blotte øje ikke kan adskille et positivt lyn fra et negativt, ved vi i dag, at de har forskellige egenskaber.

En egenskab som adskiller positive lyn fra negative er multipliciteten (antallet af deludladninger). Negative lyn har ofte to eller flere udladninger til forskel fra positive lyn, der som regel består af én udladning. Desuden er det almindeligt, at et positivt lyn efterfølges af et negativt lyn.

Endelig har studier vist, at positive lyn har en tendens til at optræde i tordenskyens opløsningsstadium.

Et lynnedslag kaldes positivt eller negativt afhængig af fortegnet for ladningen i det område af skyen, der aflades. Det er det samme som at sige, at lynet har positiv eller negativ polaritet. Der er 4 typer af lynnedslag: a) negativ nedad-initeret (>90%), b) positiv nedad-initeret (<10%) c) negativ opad-initeret, d) positiv opad-initeret. Opad-initeret forekommer kun under specielle forhold f.eks. i meget høje master eller i bjerge. Grafik: John Cappelen.

Udladningsprocessen

Den mest almindelige type lynnedslag begynder oppefra og udvikler sig ved, at en nedadgående kanal af stærkt ioniserede luftmolekyler forlænges skridt for skridt i retning mod overfladen. Der bygges en lynkanal (step leader) eller flere ned mod jordoverfladen.

Denne række af forudladninger, der ofte foregår med et ophold på ca. 50 mikrosekunder mellem hvert skridt, forlænger typisk lynkanalen 50 meter ad gangen og fordeler samtidig den overliggende ladning ned gennem lynkanalen.

På et tidspunkt, hvor lynkanalen når ned i nærheden af overfladen (100-200 meter), vil det forstærkede elektriske felt imellem spidsen af lynkanalen og selve jordoverfladen starte en opadgående udladning fra jorden (streamers) mod den nederste ende af lynkanalen.

Når de to udladninger mødes, kortsluttes systemet, og den egentlige hovedudladning sker igennem den for-ioniserede bane. Det foregår ved, at en elektrisk strøm på op til adskillige hundreder tusinder ampere i løbet af 20 til 50 mikrosekunder udligner spændingsforskellen mellem jord og sky.

Den stærke strøm opvarmer kanalen, der begynder at lyse. Temperaturen i kanalen kan nå op på omkring 30.000 °C. Denne proces betegnes hovedudladningen (return stroke). På grund af den hurtige opvarmning genereres en trykbølge, som vi opfatter som buldren.

Efter hovedudladningen kan processen være afsluttet. Dog er det mere almindeligt, at flere udladninger følger efter, da den første udladning ofte blot tømmer et lille område af skyen for negativ ladning.

Så med ca. 0,05 sekunders mellemrum kan der herefter optræde et større eller mindre antal (typisk 3-4, men i sjældne tilfælde helt op til 20) efterfølgende udladninger, hvor hele lynbanen gennemløbes på én gang.

Dette fænomen kaldes deludladninger, og man betegner antallet af deludladninger som lynets multiplicitet. Det kan give en blinkende effekt.

Temperaturen i en lynkanal kan nå op på omkring 30.000 °C.

Er høje objekter mere udsatte?

De opadgående udladninger (streamers) fra jorden mod den nederste ende af lynkanalen sker inden for en kritisk radius (for en almindelig sejlbåd og et hus ca. 75 -100 m, en person mindre) og behøver således ikke nødvendigvis at være fra det højeste objekt i de nærmeste omgivelser, så længe dette er uden for den kritiske radius.

Det er dog alligevel sådan, at opadgående udladninger hyppigt sker fra høje objekter. Objekter over 60 meter bevirker en så stor forstærkning af det elektriske felt omkring toppen (ca. 5-600 kV/m), at opadgående udladninger lynkanaler fra toppen af objekterne lettere dannes og kan udløse et lynnedslag, hvis der opnås forbindelse til de elektriske ladninger i skyen.

Temaansvarlig John Cappelen
Opdateret 27. juni 2018

Lynets fysik

Et lyn er en kompleks størrelse, som udgøres af en række forskellige faktorer og mekanismer.

Elektrisk opladning

Lynet

Udladningsprocessen

Er høje objekter mere udsatte?

Viden om vejr og klima

Varm luft sætter fut i skybrudssæsonen

Vejr efter alle kunstens regler

DMI fejrer 150-års jubilæum – få hele historien fra 1872 til 2022