Sähköä ilmassa

Tänä kesänä myös kipua tuntemattomat hevimiehet saivat osansa luonnonvoimien voittamattomuudesta, kun ukkoskuuro voimakkaine syöksyvirtauksineen iski Sonisphere-festivaalin leirintäalueelle. Samoin keskustelu luonnonvoimien mahtavuuteen varautumisesta ikään kuin lähti käyntiin.

Sain nauttia supersolu-ukkosen sähköisestä tunnelmasta 28.6.2009, kun sellainen pyyhkäisi nätisti Pohjoisen Savolahden ylitse. Olin noihin aikoihin Lapinlahden kunnan alueella, jonne myrsky iski pahiten: tietoa supersolun luonteesta sekä kuvia tuhon mahtavuudesta voi katsoa esimerkiksi täältä. Aitiopaikalta seurattuna myrsky näytti mielenkiintoiselta, kun vettä pölähti maahan tunnin aikana lähes vuorokausiennätyksen verran. Samoin metsämaisemat Lapinlahden maaseututeiden varsilla muuttuivat samalla hyvin mielenkiintoisiksi.

Koska ukkonen ja myrskyt ovat kovin suosittuja puheenaiheita, sain päähäni idean kertoa sekä tarpeen mukaan oikaista vanhan kansan väittämiä ukonilman luonteesta.

Ensinnäkin tahdon esitellä väitteen, josta olen kuullut useamman kuin yhden kysymyksen: miksi ukkonen näyttää nousevan aina vastatuuleen, vaikka se olisikin niin järjenvastaista?

Punainen lanka on nimenomaan se, että maanpinnalta katsottuna ukkonen nimenomaan vain näyttää nousevan vastatuuleen. Tämä taas johtuu siitä, että ukkosen kehittyminen vaatii konvektiivisen systeemin. Kehittyvä ukkospilvi ikään kuin imee itseensä ilmaa maanpinnalta, joka luonnollisesti tapahtuu lyhintä tietä eli pystysuoraan ylöspäin. Tällöin paineen muuttumista tasaava ilmamassa syöksyy maanpinnan suuntaisesti pilven alapuolelle, jolloin tuuli todellakin näyttää olevan ”nousevaa” ukkosmyrskyä vastaan. Ukkospilvi ei siis nouse vastatuuleen, vaan luo siltä näyttävän tilanteen kehittyessään.

Seuraavaksi väite, jolla on älyytetty lapsia varmasti jo vuosikymmenten ajan: ukkosella on turvallista kulkea kumisaappaat jalassa. Psykologisesti tämä saattaa ollakin tehokasta, mutta fysikaalisesta näkökulmasta katsottuna kumisaappaiden käyttö ukkoselta suojautumiseen on aivan täyttä – no jotain. Tähän selitys löytyy sähköopin kirjasta, jossa taikasana on sähkökentän voimakkuus: jokainen materiaali kestää tietyn vahvuisen sähkökentän ennen niin kutsuttua läpilyöntiä, eli sähkön hyppäämistä eristävän materiaalin lävitse. Tätä ominaisuutta kutsutaan läpilyöntikestävyydeksi, ja se mitataan voltteina pituusyksikköä kohden.

Kumin läpilyöntikestävyys on noin 13 MV/m. Tämä siis tarkoittaa, että jo korkeajännitelinjoissa käytettävä jännite eli 150 kV voi lyödä senttimetrin vahvuisen kumikerroksen läpi. Ukkoselta suojautumista ajatellen tämä tarkoittaa, että kärvennyt saappaat jalassakin, mikäli muutut osaksi salamaniskun purkauskanavaa. Kumit ovat hyödyllisiä olla mukana aina, kun ilmassa on sähköä - muulta kuin ukkoselta suojautumista varten.

Nyt kun kumien hyödyttömyys salamaniskuilta suojautumisessa on perusteltu, seuraava virheellinen väittämä loogisesti onkin, mihin auton turvallisuus ukkosen aikana perustuu. Auto ja kaikki metallikuoriset ajoneuvot ovat toki turvallisimmat paikat, mihin ukkoselta voi suojautua. Tämän perusteluna usein kuultava tarina kumipyöristä on kuitenkin täysin väärä. Renkaiden materiaalilla ei ole mitään tekemistä turvallisuuden kanssa vaan kaikki perustuu tosiasiaan, että sähkövirta kulkee aina helpointa mahdollista tietä.

Istuessasi autossa olet ikään kuin metallisen suojakuoren sisällä: tämä metallikuori muodostaa niin kutsutun Faradayn häkin, joka pitää sähkövaraukset kuoren ulkopinnalla ja johtaa ne maadoitettuun paikkaan, jos se vain on mahdollista. Toisin sanoen, autoon iskevä salama kulkee maahan korin ulkoreunoja pitkin pääsemättä (sähkölaitteita lukuun ottamatta) lainkaan auton sisälle. Näin ollen juna on teoreettisesti vielä autoakin turvallisempi paikka ukkosella, koska sen metallipyörät johtavat sähkövirran nopeammin maahan. Käytännössä kuitenkin on aivan sama olla kummassa ajoneuvossa tahansa, koska auton kumipyörät eivät maineestaan huolimatta estä varausten siirtymistä maahan. Mikäli vain et koske ukkosella auton metalliosiin sisäpuolella, voi ympäriltäsi kulkea vaikka kahden miljoonan voltin sähköpurkaus.

Mikäli luet tätä, sinulla on viisi minuuttia aikaa tai et usko fysiikkaan, katso linkin takaa hetki TopGear-ohjelmaa. Videolla Richard Hammond istuu VW Golfin metallikorin suojaan salamalaboratoriossa, jossa autoa paukutellaan salamalla yli kymmenen sekunnin ajan.

Auton jälkeen turvallisinta on suojautua rakennuksiin, koska niiden vesi- ja sähköjärjestelmät ovat turvallisuussyistä maadoitettuja. Suojautuessa kannattaa tosin muistaa, että esimerkiksi savupiipun noki johtaa hieman sähköä: tämän vuoksi tulisijoihin, verkkoon kytkettyihin sähkölaitteisiin tai vesihanoihin ei kannata koskea. Salamaniskut sytyttävät tuleen useimmiten sähköttömiä ja vedettömiä rakennuksia, kuten heinälatoja; toki mikä tahansa rakennus voi syttyä tuleen, mikäli salama iskee tarpeeksi lähelle sytyttäen jotain tuleen tai rakennuksen sisällä oleva sähkölaite syttyy tuleen ylikuormituksen seurauksena. Tämän vuoksi onkin järkevää repiä pistotulpat pois ukkosen ajaksi – tulipaloriski pienenee, ja laitteet säilyvät ehjinä.

Sanotaan, ettei salama iske kahdesti samaan paikkaan; väärin. On täysin mahdollista, salama iskee useita kertoja tismalleen samaan paikkaan; tämä on tosin hyvin epätodennäköistä ainakin yhden ihmisiän aikana. Maasalamaa ajatellen maankamaran jokainen neliösenttimetri on mahdollinen iskun ”kohde”, ja maankamarassa niitä on aika monta kappaletta.

Leikkimielisesti tätä voi jokainen testata omalla vastuullaan ja välineillään esimerkiksi näin: ottakaa viisimetrinen hiilikuituvapa ja menkää paljain jaloin kalastamaan matalalla roikkuvan suurjännitelinjan alle. Lopputulosta ei liene liian vaikea arvata etukäteen, mutta lasahduksesta on edes teoreettinen mahdollisuus selvitä hengissä. Mikäli näin käy, voitte kätevästi kokeilla iskeekö valokaari toisenkin kerran samasta sähkölinjasta samaan hiilikuituvapaan.

Viimeisenä tahdon kertoa asian, josta fyysikolta kysytään usein - miksi salamaniskun sisältämää energiaa ei voida hyödyntää ihmiskunnan tarpeisiin?

Tässä periaate on sama, miksi auton moottori ei toimi nitroglyseriinillä: reaktiossa vapautuu aivan suunnaton määrä energiaa, mutta liian lyhyessä ajassa. Salamaniskussa energiaa siirtyy jopa yhden terawatin (triljoona wattia) teholla 30 mikrosekunnin (miljoonasosasekuntia) ajan, minkä vuoksi purkauskäytävää ympäröivä ilma lämpenee yli 10 000-asteiseksi. Tämä saa aikaan sekä välähdyksen että jyrähtävän äänen, mutta energian hyödyntämistä ajatellen juuri korkea huipputeho on huono asia: mikäli salamanisku johdettaisiin metallista johdinta pitkin muuntajaan, energiapiikki käräyttäisi sen välittömästi ja piuhakin kärähtäisi.

Aivan samoin tapahtuu siis polttomoottorissa, jos sitä käytetään (tai paremminkin yritetään käyttää) nitroglyseriinillä: kone räjähtää välittömästi, koska moottorin rakenteet eivät kestä nitroglyseriinin nopeasta palamisesta syntyvää huipputehoa. Toisin sanoen energiaa vapautuu paljon, mutta aivan liian lyhyessä ajassa. Mikäli taasen moottoria vahvistettaisiin kestämään nitroglyseriinin räjähdys, tulisi teräsrakenteista liian painavat: moottoria tuskin saataisiin järkevästi edes pyörimään.

Toinen salaman hyödyttömyyttä tukeva seikka on sama, joka varmasti ärsyttää monia tuulivoimaintoilijoita: suurta määrää sähköä ei voi varastoida mitenkään myöhempää käyttöä varten. Vaikka salaman energia saataisiinkin jollain tavalla siirrettyä sähköverkkoon, ei siitä olisi mitään iloa tuon 30 miljoonasosasekunnin ajan.

Näin tällä kertaa, koetan palailla pikimmiten.