Kilat

Sejarah penyelidikan saintifik

Benjamin Franklin (1706-1790) telah berusaha bagi menguji teori bahawa percikan api berkongsi beberapa persamaan dengan kilat menggunakan puncak menara di mana telah dibina di Philadelphia, Amerika Syarikat. Sementara menunggu penyiapan puncak menara terbabit, beliau telah mendapat idea iaitu menggunakan objek terbang seperti layang-layang. Ketika ribut petir seterusnya iaitu pada Jun 1752, telah dilaporkan bahawa beliau telah menaikkan layang-layang sambil ditemani anaknya sebagai pembantu. Pada hujung tali layang-layang tersebut, beliau telah mengikat sebatang anak kunci dan mengetatkannya pada sebatang tiang dengan benang sutera. Sekian lama masa berlalu, Franklin perasan serat bebas pada tali layang-layang tersebut telah meregang; ketika itu beliau menghala tangannya hampir pada anak kunci tersebut dan percikan api telah "melompat" pada ruang antara tangannya dan anak kunci. Hujan yang turun semasa ribut berlaku telah membasahi objek uji kajinya menyebabkan pertambahan pengalir elektrik.
Franklin bukanlah orang pertama yang menjalankan uji kaji berkenaan. Thomas-François Dalibard dan De Lors telah melaksanakan uji kaji serupa di Marly-la-Ville, Perancis, beberapa minggu sebelum uji kaji Franklin. Dalam autobiografi beliau (ditulis pada tahun 1771-1788, diterbitkan kali pertama pada tahun 1790), Franklin menjelaskan keadaan bahawa beliau telah menjalankan uji kaji berkenaan selepas uji kaji di Perancis yang telah berlaku beberapa minggu sebelum uji kajinya tanpa pengetahuan beliau sebelumnya sebagaimana tahun 1752.
Berita tentang uji kaji tersebut tersebar luas dan sesetengah orang telah mereplikakannya. Namun, uji kaji yang melibatkan kilat amatlah berisiko dan sering menyebabkan kematian. Salah satu kematian yang terkenal ketika peniru Franklin mengalir mencurah-curah ialah Profesor George Richmann dari Saint Petersburg, Rusia. Beliau mencipta uji kaji yang sama dengan Franklin dan telah menghadiri mesyuarat Akademi Sains apabila beliau terdengar bunyi guruh. Beliau cepat-cepat berlari ke rumah dengan pengukirnya bagi mengabadikan peristiwa ini untuk generasi akan datang. Berdasarkan laporan, sewaktu uji kaji terbabit telah dimulakan, kilat bebola tiba-tiba muncul dan mengena pada kepala Richman, sekaligus membunuh beliau.
Walaupun uji kaji Benjamin Franklin yang terdahulu menunjukkan bahawa kilat merupakan nyahcas elektrik statik, terdapat sedikit kemajuan dalam kefahaman teori tentang kilat (terutama bagaimana kilat dihasilkan) lebih daripada 150 tahun. Dorongan bagi kajian baru muncul daripada bidang kejuruteraan kuasa: oleh sebab penghantaran talian kuasa telah dimasukkan dalam perkhidmatan, jurutera perlu mengetahui lebih lanjut berkenaan dengan kilat sebagai langkah melindungi talian dan kelengkapan dengan secukupnya.

Ciri-ciri kilat

Secara purata, kilat membawa arus elektrik sebanyak 40 kiloampere (kA) (meskipun sesetengah halilintar kilat boleh mencapai lebih 120 kA) dan memindahkan cas sebanyak 5 coulomb dan 500 MJ. Voltan bergantung kepada panjang kilat, dengan pemecahan dielektrik di udara mewujudkan 3 juta volt per meter; menghasilkan lebih kurang 1 gigavolt (1 bilion volt) bagi 300 m (1000 kaki) halilintar kilat. Dengan arus elektrik sebanyak 100 kA, ia menghasilkan kuasa kira-kira 100 terawatt. Bagaimanapun, penghasilan kilat bukanlah pemecahan dielektrik yang ringkas dan medan elektrik di sekitarnya diperlukan bagi perambatan kilat pendahulu, boleh menghasilkan beberapa turutan magnitud kurang daripada kekuatan pemecahan dielektrik. Selanjutnya, kecerunan keupayaan dalam saluran panahan balik  terbina baik dalam urutan seratus volt per meter atau kurang kerana saluran pengionan yang sangat besar, menghasilkan output kuasa sebenar dalam turutan megawatt per meter bagi arus panahan balik kuat sebanyak 100 kA.
Kilat memanaskan udara sekitar kepada kira-kira 10,000 °C (18,000 °F) hampir serta-merta, hampir dua kali ganda suhu permukaan matahari. Haba tersebut menghasilkan gelombang kejutan yang dapat didengari yang juga dikenali sebagai guruh.
Panahan balik halilintar kilat mengikut saluran cas sahaja adalah kira-kira 1 sm (0.4 in) lebar. Kebanyakan panahan kilat adalah kira-kira 1.6 km (1 batu) panjang. Rekod panahan kilat terpanjang yang pernah dicatatkan ialah 190 km (118 batu), dilihat berdekatan Dallas, Texas, Amerika Syarikat. Setiap lokasi mempunyai keupayaan (voltan) dan arus bagi purata panahan kilat yang berlainan. 
Saintis NASA telah mendapati gelombang radio yang dihasilkan oleh kilat melompat melepasi zon selamat dalam jalur sinaran di sekeliling bumi. Zon berkenaan dikenali sebagai jalur Van Allen, berpotensi sebagai perlindungan selamat untuk satelit daripada sinaran matahari.

Hipotesis aruhan elektrostatik

Hipotesis ini menerangkan cas yang bertentangan telah dibawa jauh oleh aruhan elektrostatik dan tenaga disimpan dalam medan elektrik di antaranya. Pengelektrikan awan muncul bagi membentuk gerakan angin menegak yang kuat yang membawa titisan air ke atas, membekukannya secara mendadak antara -10 dan -20 °C. Perlanggaran berkenaan dengan kristal ais bagi membentuk campuran air-ais yang dikenali sebagai graupel.
Perlanggaran ini menyebabkan cas positif yang sedikit sahaja akan berpindah ke kristal ais manakala sedikit cas negatif berpindah ke graupel. Draf atas membawa kristal ais yang ringan ke atas, menyebabkan puncak awan berkumpul dan meningkatkan cas positif. Graupel yang bercas negatif yang lebih berat turun menghala ke bahagian awan tengah dan bawah menyebabkan pertambahan cas negatif. Pemisahan dan pengumpulan cas menjadi cukup untuk memulakan nyahcas kilat yang berlaku apabila mengumpulkan cas positif dan negatif yang membentuk medan elektrik yang kuat.

Pembentukan perintis

Sebagaimana awan petir bergerak di atas permukaan bumi, sama tetapi cas teraruh di permukaan bumi dan cas tanah teraruh mengikut pergerakan awan adalah bertentangan.
Nyahcas dwikutub permulaan atau laluan udara terion bermula dari kawasan campuran air dan ais bercas negatif dalam awan petir. Saluran nyahcas terion dipanggil perintis. Cabang utama bercas negatif disebut "perintis tetingkat", secara umumnya bergerak ke bawah dalam beberapa lompatan cepat, tiap-tiapnya lebih 50 meter panjang. Di sepanjang laluan, perintis tetingkat mungkin bercabang kepada beberapa laluan sebagaimana ia meneruskan untuk turun. Janjang perintis tetingkat memerlukan masa yang panjang secara perbandingan (seratus milisaat) untuk mencecah tanah. Fasa permulaan ini melibatkan arus elektrik yang agak kecil (sepuluh atau seratus milisaat) dan pendahulu hampir tidak dapat dilihat jika dibandingkan dengan laluan kilat berikutnya.
Ketika perintis tetingkat menghampiri bumi, cas yang bertentangan hadir di atas tanah lalu meningkatkan medan elektrik. Medan elektrik adalah paling tinggi di atas pokok dan bangunan tinggi. Jika medan elektrik cukup kuat, cas beraliran (dipanggil panahan positif) boleh berkembang dari titik berkenaan. Ini pertama kali diteorikan oleh Heinz Kasemir. Sebagaimana medan elektrik meningkat, panahan positif barangkali berkembang kepada pemanas, arus perintis yang semakin tinggi yang akhirnya bersambung kepada perintis tetingkat menurun dari awan. Fanomena ini mungkin berlaku bagi kebanyakan panahan untuk berkembang daripada banyak objek yang berlainan secara serentak dengan hanya satu yang bersambung dengan perintis lalu membentuk laluan cas utama. Ini bermaksud jika dua perintis bertemu, arus elektrik naik secara mendadak. Kawasan arus tinggi menguatkan perambatan perintis tetingkat positif ke dalam awan dengan "panahan balik".

Nyahcas

Semasa medan elektrik menjadi cukup kuat, nyahcas elektrik (halilintar kilat) berlaku di dalam awan atau antara awan dan bumi. Ketika menyambar, bahagian udara berikutnya menjadi saluran nyahcas konduksian sebagaimana elektron dan ion positif molekul udara telah ditarik keluar antara satu sama lain dan daya untuk mengalir dalam arah yang bertentangan.
Nyahcas elektrik dengan pantas memanaskan saluran nyahcas menyebabkan udara berkembang dengan cepat dan menghasilkan gelombang kejutan yang dikenali sebagai guruh. Guruh yang berderam-derum dan beransur-ansur hilang berpunca daripada tunda masa bunyi yang datang dari kawasan yang berlainan.

Teori pemecahan luar kawalan Gurevich

Teori tentang permulaan kilat, dikenali sebagai "teori pemecahan luar kawalan" menyebut bahawa panahan kilat telah dicetuskan oleh sinar kosmos yang mengion atom, membebaskan elektron yang dipecut oleh medan elektrik, mengionkan molekul udara yang lain dan membuatkan udara beraliran oleh pemecahan luar kawalan maka berlakunya panahan kilat.

Teori pemecahan luar kawalan dan sinar gama

Hipotesis awal mengatakan bahawa kilat menghasilan medan elektrik yang tinggi pada altitud betul-betul di atas awan yang atmosferanya yang nipis membenarkan sinar gama untuk dibebaskan dengan mudah di dalam angkasa lepas, dikenali sebagai "pemecahan luar kawalan kerelatifan", serupa dengan cara kilat atmosfera atas dihasilkan. 
Sebilangan saintis mencadangkan denyar sinar gama bumi (TGF)  mungkin dihasilkan di puncak awan petir. Walaupun pembebasan sinar gama dihalang oleh penyerapan atmosfera, teori ini tidak memerlukan medan elektrik yang tingginya luar biasa yang masih menggunakan teori altitud tinggi daripada penghasilan TGF.
Peranan TGF dan kaitannya dengan kilat tetap menjadi subjek kajian saintifik yang sedang dilaksanakan.

Sambar semula

Video berkelajuan tinggi (diteliti bingkai demi bingkai) menunjukkan kebanyakan panahan kilat dibentuk oleh aruhan individu berganda. Panahan  yang normal dibentuk oleh 3 hingga 4 aruhan dan mungkin lebih.
Setiap sambar semula dipisahkan oleh bilangan masa yang agak besar, biasanya 40 hingga 50 milisaat. Sambar semula boleh menyebabkan kesan    
"lampu strob" yang ketara.
Tiap-tiap aruhan berikutnya didahului oleh aruhan penahan perintis pertengahan sekali lagi tetapi lebih lemah berbanding sebelumnya, perintis tetingkat permulaan. Aruhan biasanya menggunakan semula saluran nyahcas yang diterima oleh aruhan sebelumnya.
Variasi dalam nyahcas seterusnya adalah kesan daripada kawasan cas yang lebih kecil di dalam awan yang telah dikurangkan oleh aruhan berikutnya.
Bunyi guruh yang berasal daripada panahan kilat dipanjangkan oleh aruhan seterusnya.

Gunung berapi

Letusan gunung berapi yang teramat besar yang mengeluarkan gas dan bahan tinggi ke atmosfera boleh mencetuskan kilat. Fanomena ini pernah didokumenkan oleh Pliny The Elder semasa letusan AD79 di Gunung Vesuvius yang menyebabkan beliau terbunuh.

Roket

Kilat pernah memanah Apollo 12 sebaik sahaja berlepas dan dipanah sekali lagi selepas letupan nuklear. Kilat juga dicetuskan oleh pelancaran roket kilat yang membawa segelendong wayar ke dalam ribut petir. Wayar terurai menyediakan laluan untuk kilat. Panahan kilat biasanya lurus kerana laluan yang dihasilkan oleh wayar.
Pesawat udara juga boleh mencetuskan kilat.

Laser

Sejak 1970-an, penyelidik telah mencuba untuk mencetuskan panahan kilat dengan laser ultra ungu yang mewujudkan saluran gas terion hingga kilat  dialirkan ke tanah. Pencetus kilat sebegini bertujuan untuk melindungi pelantar pelancar roket, kemudahan kuasa elektrik dan sasaran sensitif lain.
Di New Mexico, Amerika Syarikat, saintis telah menguji laser terawatt baharu yang mampu mengganggu kilat. Saintis melancarkan denyutan ultra-pantas daripada laser yang sungguh berkuasa dan dengan itu menghantar beberapa terawatt ke dalam awan untuk menghapuskan nyahcas elektrik dalam awan ribut sekitarnya.
Alur dihantar dari laser membuat laluan molekul terion yang dikenali sebagai filamen. Sebelum kilat memanah bumi, filamen menghasilkan elektrik melalui awan, memainkan peranan sebagai rod kilat.
Penyelidik menjanakan filamen yang tidak kekal lama bagi mencetuskan  panahan kilat. Bagaimanapun, kerangsangan aktiviti elektrik di dalam awan telah disahkan. Berdasarkan kepada saintis Perancis dan Jerman yang telah menjalankan uji kaji, denyutan pantas yang telah dihantar dari laser boleh mengganggu panahan kilat apabila diperlukan.

Kilat luar bumi

Kilat memerlukan pemecahan elektrik pada gas, jadi ia tidak wujud dalam bentuk tampak di vakum angkasa lepas. Bagaimanapun, kilat pernah diperhatikan dalam atmosfera planet lain seperti Zuhrah, Musytari dan Zuhal. Kilat di Zuhrah masih menjadi subjek kontroversi selepas kajian berdekad-dekad. Semasa misi Venera Soviet and Pioneer A.S. pada tahun 1970-an dan 80-an, isyarat mengatakan bahawa kilat mungkin wujud di atmosfera atas telah dikesan. Namun, baru-baru ini misi jejambat Cassini-Huygens di Zuhrah dikesan tiada tanda bahawa adanya kilat. Sungguhpun begitu, denyut radio telah direkodkan oleh kapal angkasa lepas Venus Express menegesahkan kilat di Zuhrah pada tahun 2007.

Pokok dan kilat

Pokok merupakan pengalir kilat ke tanah semula jadi terbaikdan berpotensi sebagai perlindungan terbaik daripada panahan kilat berlaku pada bangunan berhampiran. Oleh sebab sap merupakan pengalir yang lemah, rintangan elektrik menyebabkan ia dipanaskan letup kepada stim yang kulit kayunya terpelanting di luar laluan kilat. Musim berikutnya, pokok memulihkan bahagian yang rosak dan  mungkin menutup "luka" sepenuhnya, hanya meninggalkan parut yang menegak. Jika kerosakan terlalu teruk, pokok barangkali tidak boleh pulih semula dan sudah sampai masanya reputan untuk berlaku, kesudahannya membunuh pokok. Pentafsiran menyatakan bahawa pokok yang berdiri sendiri kerapkali dipanah, walaupun dalam beberapa kawasan berhutan, parut kilat boleh dilihat pada kebanyakan setiap pokok.
Kebanyakan pokok yang sering dipanah adalah jenis Oak, Elm dan Pain. Tidak seperti Oak yang mempunyai struktur akar yang agak cetek, pokok pain mempunyai sistem akar yang tebal jauh ke dalam yang menjalar ke dalam muka air tanah. Pokok pain biasanya berdiri lebih tinggi berbanding spesies lain yang juga dilihat sebagai sasaran yang sesuai. Faktor yang mempengaruhi kepada sasarannya ialah kandungan resin yang tinggi, ketinggian dan jejarum yang memudahkan bagi menangkap nyahcas elektrik yang tinggi ketika ribut petir.
Pokok yang tinggi dengan biojisim bagi sistem akar yang besar menyediakan perlindungan kilat terbaik. Sebagai contoh, pokok kayu jati (Tectona grandis) yang tumbuh hingga 45 m (147.6 kaki) tinggi. Pokok ini mempunyai sistem akar sebar dengan sebaran kira-kira 5 m dan biojisim 4 kali ganda batang; penembusan ke dalam tanah adalah 1.25 m (4.10 kaki) dan tidak memiliki akar tunjang. Apabila ditanam berhampiran bangunan, ketinggian pokok berkenaan membantu dalam menangkap perintis kilat yang datang dan biojisim bagi sistem akar yang besar menolong pelepasan cas elektrik.

Keelektromagnetan

Pergerakan cas elektrik menghasilkan medan elektrik (lihat Keelektromagnetan). Arus nyahcas kilat yang terlalu besar menjadikan medan elektrik yang sangat kuat tetapi sekejap. Laluan arus elektrik yang melalui batu, tanah atau logam menyebabkan bahan berkenaan boleh menjadi pemagnetan kekal. Kesan sebegini disebut sebagai baki kemagnetan kilat teraruh (LIRM). Arus ini mengikut laluan berintangan paling kecil, selalunya mengufuk berhampiran permukaan tetapi kadangkala ia berlaku secara menegak yang menawarkan laluan berintangan paling kecil kepada kecacatan, kompok bijih atau air tanah. Anomali magnet teraruh kilat boleh dipetakan pada tanah dan analisis bahan pemagnetan boleh memastikan kilat adalah sumber pemagnetan malah menyediakan anggaran arus puncak nyahcas elektrik.