Şimşek ve yıldırım

Şimşek ya da çakın, elektrik yüklü bir bulut ile diğer bir bulut arasındaki elektrik boşalmasıdır. Önceden tahmin edilmesi oldukça zordur. Fakat belli hava koşullarında meydana gelir.

Yıldırım ise; bulut ile yeryüzü arasındaki elektrik boşalmaları olarak tanımlanır. Yıldırım, zikzaklı bir yol takip ederek kollar hâlinde aşağı doğru iner. Genellikle şiddetli bir yağmurla birlikte görülür. Yıldırım, gök gürültüsü ve şimşekten oluşan, gökyüzü ile yeryüzü arasındaki elektrik boşalmasıdır.

Şimşek, bir bulut kümesi aşırı miktarda + veya - elektrik yükü ile yüklendiğinde meydana gelen, gözle görülür elektrik boşalmasıdır. Elektrik yükünün hava direncini kıracak kadar çok olması gerekir. Şimşek ve yıldırım sadece kümülonimbüs bulutlarında görülür. Diğer bulutlarda sadece enerji akımı sayesinde görülebilir. Kar fırtınalarında, kum fırtınalarında ve hatta volkanlardan çıkan gaz ve toz bulutlarında da şimşeklere rastlanır. Bir oraj esnasında şimşekler; bulutlar arasında, bulutla hava arasında ve bulutla yer arasında gerçekleşebilir. Dünya genelinde saniyede 50 ila 100 şimşek çakar.

Elektrik yüklenmesinin ayrıntıları bilim insanlarınca hâlâ incelenmektedir ancak fırtına elektriklenmesinin bazı temel kavramları üzerinde ortak bir kanı vardır. Elektriklenme, çarpışan cisimler arasındaki iyon transferinin sonucu olarak triboelektrik etki ile olabilir. Yüksüz, çarpışan su damlaları, gök gürültüsü bulutunda olduğu gibi, aralarındaki (sulu iyonlar olarak) yük aktarımı nedeniyle elektrik yüklenebilirler. Fırtınadaki ana elektrik yüklenme alanı, havanın hızla yukarı doğru hareket ettiği ve sıcaklık aralığının arasında değiştiği fırtınanın ortasında oluşur. Bkz. Şekil 1. Bu bölgede, sıcaklık ve yukarı doğru hızlı hava hareketinin birleşimi süper soğutulmuş bulut damlacıkları (donma noktasının altındaki küçük su damlacıkları), küçük buz kristalleri ve graupel (yumuşak dolu) karışımı üretir. Yukarı çekiş, süper soğutulmuş bulut damlacıklarını ve çok küçük buz kristallerini yukarı doğru taşır. Aynı zamanda, çok daha büyük ve daha yoğun olan yumuşak dolu, yükselen havada düşer veya asılı kalır.

Yağışların hareketindeki farklılıklar çarpışmalara neden olur. Yükselen buz kristalleri yumuşak dolu ile çarpıştığında, buz kristalleri pozitif ve yumuşak dolu negatif olarak yüklenir. Bkz. Şekil 2. Yukarı çekiş, pozitif yüklü buz kristallerini fırtına bulutunun tepesine doğru yukarıya doğru taşır. Daha büyük ve daha yoğun olan graupel, ya fırtına bulutunun ortasında asılı kalır ya da fırtınanın alt kısmına doğru düşer.

Fırtına içindeki yukarı doğru hareketler ve atmosferdeki daha yüksek seviyelerdeki rüzgarlar, fırtına bulutunun üst kısmındaki küçük buz kristallerinin (ve pozitif yükün) fırtına bulutu tabanından yatay olarak bir miktar uzağa yayılmasına neden olur. Fırtına bulutunun bu kısmına örs denir. Bu, fırtına bulutu için ana şarj süreci olsa da, bu elektrik yüklerinin bazıları fırtınadaki hava hareketlerince (yukarı çekişler ve aşağı çekişler) yeniden dağıtılabilir. Ayrıca, yağış ve daha yüksek sıcaklıklar nedeniyle fırtına bulutunun dibine yakın bir yerde küçük ama önemli bir pozitif yük birikimi vardır.

William Thomson (Lord Kelvin), sudaki yük ayrımının dünya yüzeyindeki olağan elektrik alanlarında oluştuğunu ispatladı ve bu bilgiyi kullanarak sürekli elektrik alan ölçüm cihazını geliştirdi. Sıvı su kullanılarak yükün farklı bölgelere fiziksel olarak ayrılması, Kelvin tarafından Kelvin su damlalığı ile gösterilmiştir. En olası yük taşıyan türler, sulu hidrojen iyonu ve sulu hidroksit iyonu olarak kabul edildi.

Sıvı su veya katı su ile ilişkili iyonlar (pozitif hidrojen iyonu ve negatif hidroksit iyonu) olarak yükten yıldırımla ilişkili elektronlar olarak yüklenme süreci, bir tür elektro-kimyayı, yani kimyasal türlerin oksitlenmesi ve/veya indirgenmesini içermelidir.

Hidroksit baz olarak işlev gördüğü ve karbon dioksit asidik gaz olduğu için, negatif yükün sulu hidroksit iyonu biçiminde olduğu yüklü su bulutlarının sulu karbonat iyonları ve sulu hidrojen karbonat iyonları oluşturmak üzere atmosferik karbon dioksit ile etkileşime girmesi mümkündür.

Yıldırım, bulut ile yer arasında oluşan, en tehlikeli şimşek türüdür. Çoğu çakma yeryüzüne negatif yük dağıtır ancak bir kısmı yeryüzüne pozitif yük taşır. Bu pozitif çakmalar sıklıkla bir orajın dağılma aşamasında oluşur. Pozitif çakmalar aynı zamanda kış ayları boyunca düşen toplam yıldırımların yüksek bir yüzdesini oluşturur.

Bulut ve yer arasındaki elektrik potansiyeli farkı 10 ila 100 milyon volttur ve yıldırımın dönüş darbesinin akımı yaklaşık 30.000 ampere, sıcaklığı 30.000 °C'ye ulaşır. Yıldırımın oluşması çok hızlı bir şekilde gerçekleşir. Öncül darbe buluttan yere yaklaşık 30 milisaniyede ulaşır ve yerden bulutun merkezine yaklaşık 100 milisaniyede döner.

Gök gürültüsü, şimşek çakması esnasında oluşan, patlamaya benzer çok yüksek sestir. Ses, ışıktan çok daha yavaş hareket ettiği için (deniz seviyesinde yaklaşık ses hızı 340 m/s) gök gürültüsü -gözlemcinin uzaklığına bağlı olarak- şimşeğin gözlenmesinden kısa bir süre sonra duyulur.

Gök gürültüsü, şimşek hattı boyunca havanın aniden ısınması ve hava basıncının artması nedeniyle oluşur. Aşırı basınç şimşek hattının sesten hızlı şekilde genişlemesine ve gök gürültüsü olarak adlandırılan sesi oluşturmasına neden olur. Gök gürültüsünü karakterize eden şaklama, patlama, gümbürtü gibi çeşitli farklı sesler şimşek hattının karmaşık geometrisi, atmosferin özellikleri, yerel arazi şekilleri ve yansımalar nedeniyle oluşur.

Yıldırım çarpması, bulut ile yer arasında oluşan bir şimşeğin canlılara isabet etmesidir. Yıldırım çarpması, elektrik yükü nedeniyle ölümcül sonuçlar doğurabilecek, oldukça tehlikeli bir hadisedir. Örneğin Amerika Birleşik Devletleri'nde her sene ortalama 62 kişi yıldırım çarpması nedeniyle hayatını kaybetmekte, yaklaşık 300 kişi yaralanmaktadır. Dünya genelinde ise yılda ortalama 24.000 kişi ölmekte, 240.000 kişi yaralanmaktadır.

Eğer açık alanda iken civarda bir yere yıldırım düştüyse ve saçlarınız dikilmeye başladıysa hemen en yakındaki binaya girmelisiniz. Eğer yakında bina yoksa civardaki en alçak bölgeye gidip ayaklarınız yere basacak şekilde yere çömelmeli ve mümkün olduğunca bir top gibi küçülmelisiniz. Yıldırım tehlikesi varken "kesinlikle" yere yatılmamalıdır.

Halk arasında, lastik tabanlı ayakkabıların veya otomobil lastiklerinin yıldırımdan koruyacağına inanılır. Bunların hiçbir faydası yoktur ancak otomobilin metal çerçevesi (vücuda temas etmiyorsa) çarpmanın etkilerinden korumada yardımcı olur.