Καθημερινά σε όλο τον κόσμο πέφτουν 8.6 εκατομμύρια αστραπές. Τα βήματα που ακολουθεί όμως η αστραπή για να φτάσει από τα σύννεφα στο έδαφος παραμένουν έως τώρα μυστήριο. Υπάρχουν ορισμένοι κανόνες, αλλά έως τώρα δεν μπορούσαμε να εξηγήσουμε πώς αυτά τα βήματα ή αλλιώς ζικ ζακ σχηματίζονται και πώς η αστραπή μπορεί να ταξιδέψει για χιλιόμετρα.
Μία νέα έρευνα του University of South Australia προσφέρει πλέον την πολυπόθητη απάντηση. Τα έντονα ηλεκτρικά πεδία στα σύννεφα διεγείρουν τα ηλεκτρόνια, προσφέροντας αρκετή ενέργεια για τη δημιουργία μονοατομικών μορίων οξυγόνου. Αυτά τα μόρια με τα ηλεκτρόνια δημιουργούν ένα σύντομο, ακραία αγώγιμο βήμα το οποίο εκπέμπει έντονο φως για ένα εκατομμυριοστό του δευτερολέπτου. Στο τέλος του βήματος υπάρχει μία παύση, καθώς η συσσώρευση ενέργειας συμβαίνει ξανά, ακολουθούμενη από ένα ακόμα έντονο βήμα. Η διεργασία αυτή συμβαίνει ξανά και ξανά δημιουργώντας το ζικ ζακ σχήμα.
Η αστραπή δημιουργείται όταν τα σύννεφα με δυναμικό εκατομμυρίων volts συνδέονται με το έδαφος. Ένα ρεύμα χιλιάδων αμπέρ κινείται μεταξύ ουρανού και εδάφους με θερμοκρασία δεκάδων χιλιάδων βαθμών Κελσίου. Οι φωτογραφίες αστραπών αποκαλύπτουν λεπτομέρειες που δεν παρατηρούνται με γυμνό οφθαλμό. Συνήθως υπάρχουν 4-5 αχνές ακίδες στο σύννεφο. Αυτές διαχωρίζονται και με ένα ακανόνιστο ζικ ζακ οδηγούνται στο έδαφος. Η πρώτη από αυτές τις ακίδες που θα φτάσει στο έδαφος, ξεκινά την αστραπή και οι υπόλοιπες εξαφανίζονται. Κάθε ζικ ζακ έχει μήκος περίπου 50 μέτρων και εκπέμπει φως για ένα εκατομμυριοστό του δευτερολέπτου. Μετά από αυτόν το χρόνο, ένα δεύτερο ζικ ζακ σχηματίζεται στο τέλος του προηγούμενου βήματος το οποίο χάνει τη λάμψη του. Γιατί υπάρχουν όμως αυτά τα βήματα και τι συμβαίνει μεταξύ των σκοτεινών περιόδων μεταξύ των βημάτων; Πως μπορούν τα βήματα να συνδέονται ηλεκτρικά με το σύννεφο ενώ δεν υπάρχει καμία εμφανής σύνδεση;
Η απάντηση κρύβεται στην κατανόηση του τι συμβαίνει όταν ένα ενεργητικό ηλεκτρόνιο χτυπά ένα μόριο οξυγόνου. Αν το ηλεκτρόνιο έχει αρκετή ενέργεια, διεγείρει το μόριο σε μία μετα-σταθερή κατάσταση, η οποία δεν είναι απόλυτα σταθερή αλλά συνήθως δεν πέφτει σε κατάσταση χαμηλότερης ενέργειας για περίπου 45 λεπτά. Σε αυτήν την κατάσταση, το οξυγόνο απελευθερώνει ηλεκτρόνια (τα οποία είναι απαραίτητα για τη ροή ηλεκτρισμού) από αρνητικά ιόντα. Τα ιόντα έπειτα αντικαθίστανται σχεδόν άμεσα με ηλεκτρόνια – τα οποία έχουν αρνητικό φορτίο – και ενώνονται ξανά με τα μόρια οξυγόνου. Όταν το οξυγόνο στην ατμόσφαιρα βρίσκεται σε ποσοστό άνω του 1% σε αυτήν τη μετα-σταθερή κατάσταση, ο αέρας γίνεται αγωγός του ηλεκτρισμού.
Έτσι, τα ζικ ζακ λαμβάνουν χώρα καθώς είναι αρκετή η μετα-σταθερή κατάσταση για να απελευθερωθεί σημαντικός αριθμός ηλεκτρονίων. Μετά τα 50 εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου, το ζικ ζακ μπορεί να γίνει αγωγός του ηλεκτρισμού και η ηλεκτρική δυναμική της αιχμής του βήματος αυξάνεται περίπου στα επίπεδα του σύννεφου, παράγοντας ένα ακόμα βήμα. Τα διεγερμένα μόρια που δημιουργούνται σε προηγούμενα βήματα σχηματίζουν μία στήλη που φτάνει μέχρι το σύννεφο και τότε όλη η στήλη είναι αγωγός του ηλεκτρισμού χωρίς καμία απαίτηση ηλεκτρικού πεδίου.
Η έρευνα δημοσιεύθηκε στο Journal of Physics D: Applied Physics.
