National Geographic Magyarország

Kérészy István másodpercenként akár 80 000 képet is készít a lecsapó villámokról. Jelenleg Brazíliában folytatja a munkát a Brazil Űrkutató Központban. Magyarországon már elkezdődött a nyári villámszezon, ennek kapcsán beszélgetünk a Floridai Egyetem villámkutatójával.

Jelenleg Brazíliában dolgozik, és ha jól tudom igencsak kacskaringós úton jutott el a jelenlegi munkahelyére.

Floridában végeztem a középiskolát, és ott maradtam az egyetem alatt. Alapvetően nem a villámokkal kezdtem: az alapképzésemen menedzsment szakra jártam. Utána Svédországban tanultam fenntartható városfejlesztést, mert az nagyon érdekelt. Azt, amit menedzsmentből tanultam, össze akartam kapcsolni azzal, hogy a városi infrastruktúrát miként lehet fejleszteni. Svédországban elvégeztem a mesterképzésemet, utána visszatértem Floridába. Bár ott a városfejlesztés modernizálása, a fenntartható fejlesztés nem volt annyira érdekes téma, mint Svédországban. Viszont nagy kereslet volt úszóedzők iránt. Korábban a magyar válogatott tagjaként én is úsztam, sőt edzőtáborokat is szerveztem Floridába, így elkezdtem gyerekekkel foglalkozni. Az uszoda környékén elindult egy pedagógiai vonal. Gyurta Dániel és Risztov Éva is itt volt az edzőtáborunkban; tehát volt egy elég erős úszó csapat. Egy télen 3-6 hetet edzettünk, velük, és a saját csapatommal is úsztam, majd elkezdtem úszást tanítani, edzősködni, és elkezdett érdekelni az oktatás. Korábban is érdekfeszítő dolog volt számomra a matematika, a fizika, elvégeztem a matematika-fizika tanári szakot, és elkezdtem tanítani ezt a két tantárgyat. Ebben az időszakban arra jutottam, hogy szeretnék kicsit többet tanulni ezen a területen: annyit, hogy egyetemen taníthassak itt Amerikában. Van itt egy olyan lehetőség, amit úgy hívnak, hogy dual enrollment: ennek az a lényege, hogy középiskolás diákok elkezdenek egyetemi kurzusokat felvenni, ezt vagy a saját középiskolájukban végzik, egy erre felkészült oktatóval vagy egy helyi egyetemre járnak be. Nekem nagyon tetszett a tehetséggondozás, az a cél, hogy ha valaki szeretne előbbre jutni. Elkezdtem gondolkodni, hogyan tudnék ebben közreműködni. Ahhoz azonban, hogy egyetemi kreditet tudjak tanítani, szükségem volt a magasabb szintű fizika végzettségre: nem elég a sima matematika-fizika tanári diploma, hanem további mesterszintű kreditek kellettek hozzá, tehát tovább tanultam.

A villámok hogy jöttek képbe?

A fentiekkel egy időben elkezdtek érdekelni a villámok. Nagyon érdekes volt, hogy akkor se tudtuk és most se tudjuk pontosan, hogy hogyan indul egy villám. Ez azért is izgalmas, mert Floridában nyáron minden délután két órakor jön egy zivatar, és általában négy óráig tart, közben rengeteg a villám. Egy idő után elkezdtem utánanézni, hogy is vannak ezek a villámok: miért mindig délután jönnek, miért mindig kettőkor, mintha az óra ütne. Fizikát akartam tanulni magasabb szinten, és mellette itt volt ez a kérdés, hogy nem tudjuk, hogyan indulnak a villámok. Annyi mindent tudunk manapság asztrofizikában a fekete lyukakról; most a gravitációs hullámok egy új témakör, ugyanakkor ami itt van és látjuk minden nap, azt nem értjük pontosan. Ez nekem egy izgalmas doktori témának tűnt és így kezdtem a tanulmányaimat a Floridai Egyetemen, és 2021 novemberében megvédtem a doktorimat, ám a téma a mai napig nagyon érdekel.

Most már Brazíliában dolgozik. Ott mivel foglalkozik?

A Brazil Űrkutató Központban (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais) dolgozom a villámkutató csoporttal, a villámok okozzák a legnagyobb erdőtüzeket, és mi ezeket a tüzeket keressük meg. A legtöbb villámcsatorna csak pár száz mikroszekundumig aktív, de vannak speciális villámok amelyeknél akár ezerszer hosszabb ideig folyik az áram, ezek a speciális villámok okozzák az erdőtüzeket. Képzeljük el, hogy a nyári tábortűznél a kezünket gyorsan át tudjuk húzni a láng felett, de ha ezerszer annyi idei ott hagyjuk akkor megég a kezünk. Így van a villámoknál is: ha sok ideig folyik az áram, akkor az nagy hővel jár és tüzet okoz. Először kiválasztjuk mely villámok a legveszélyesebbek majd műholdak segítségével hozzáadjuk az időjárás, csapadék, és vegetáció adatait (pl. ha egy tóba csap a villám akkor ott biztos nem lesz tűz). A tüzek kiindulási pontjának meghatározására pedig mesterséges intelligenciát alkalmazunk. Így 40 másodperc alatt megtaláljuk az erdőtüzeket. Brazílián kívül Európában, az Egyesült Államokban, Ausztráliában, és Afrikában is gondot okoznak a fokozódó erdőtüzek, ezért nagy érdeklődés van a technológia iránt. Erre indítottam egy külön csoportot, aminek a neve Fire Neural Network (www.fireneuralnetwork.com). A csoporttal elnyertük a floridai egyetem „Év Üzleti Ötlete” címet.

Említette, hogy nem lehet tudni, hogyan alakul ki a villám. A doktori disszertációjában vannak rajzok, amelyeken pozitív töltés van a felhőben, alatta negatív töltés, a föld pedig pozitív töltésű. Az egyik ábrán különböző típusú villámok is szerepelnek. Tud mesélni a jelenlegi tudásunkról?

A töltések és azok szétválasztása mindenképp nagyon fontosak. A felhőnek az egyik része pozitív lesz, a másik része pedig negatív – ez eddig biztos. Ha van egy pozitív és egy negatív oldal, akkor a közte lévő elektromos tér a felelős a villámokért. Azt is tudjuk valamennyire, hogy hogyan alakul ki ez a töltés-szétválasztódás. Ez úgy történik, hogy 0 Celsius-fok közelében van töltéscsere a jég és a hó között, tehát a nagyobb méretű jégkristályok és a kisebb méretű hókristályok összeütköznek és töltést cserélnek. Na már most itt két dolog versenyzik, az egyik a felfelé áramlás, tehát a konvekció a felhőn belül, ugyanis a viharfelhők közepén óriási feláramlás van, ott „folyik” felfelé a meleg levegő. Amikor látjuk a nyári napokon, hogy egyszer csak növekszik a viharfelhő, az azért van, mert a közepében ott van a konvekció. Ez az egyik dolog, ami ugye mindent felfelé akar vinni: ez a felfelé áramló levegő, másfelől azonban mindent lefele akar húzni a gravitáció. Gyakorlatilag az történik, hogy a lefele zuhanó jégkristályok és a felfele áramló hókristályok kapcsolatba lépnek egymással. Általánosságban úgy van, hogy a jégkristályok ugye azért esnek lefele, mert fajlagosan nehezebbek: el tudjuk képzelni, hogy a tömör jégre jobban hat a gravitáció, a felületéhez képest nagyobb a tömege, míg ehhez képest egy hókristály egy könnyedebb struktúra, ezért a konvekció felfelé viszi. Általában, amikor ütköznek, akkor a jégkristály negatív töltést kap bizonyos hőmérsékleti tartományon belül, a hókristály pedig pozitív töltést, ezért alakul az ki, hogy a felhő teteje pozitív lesz a hókristálytól, az alja pedig negatív a jégtől. Ez egy általános magyarázat arra, hogy a felhőnek negatív az alja és pozitív a teteje, és ezért van az is, hogy a legtöbb villám negatív, mivel a felhő alja negatív, tehát a talajhoz közelebb van a negatív töltésközpont, ezért nagyobb a valószínűsége annak, hogy egy negatív villám jusson le a felszínre. Pozitív villám általában akkor alakul ki, amikor a felhő valamilyen furcsa módon az oldalára dől: mondjuk nagyon erős szél van, vagy a vihar már nem annyira strukturált, hogy megtartsa, és ezért az oldalára dől.

Eddig úgy képzeltem, hogy elektronok áramlanak a villámban. Mit ért pontosan töltés alatt?

Mindenképpen elektronok áramlanak. Ha azt mondjuk, hogy pozitív a töltés, akkor elektronhiány van. Tehát ebből a szempontból amikor azt mondom, hogy negatív töltés, akkor az elektronok áramlanak a felszín felé. Amikor pedig arról beszélek, hogy pozitív töltés jön le a felhőből a földre, az olyan, mintha negatív töltés menne felfelé a földről a felhőbe.

Tehát a pozitív villámnál tulajdonképpen a talaj felől áramlanak a felhő felé; a kétféle villámnál fordított irányban áramlanak az elektronok.

Pontosan. Ha nagyon szét akarjuk szedni, akkor kétfajta villámot lehet elkülöníteni: a pozitívat és a negatívat, ez mindig azt jelenti, hogy milyen töltés jön le a felszínre, eszerint határozzuk meg a polaritást. Ezenkívül el tudjuk különíteni a fölfele haladó (angolul upward) villámot és a lefele haladó (downward) villámot, ez pedig attól függ, hogy először melyik irányba indul el a villám tapogatózója (angolul streamer). Tehát egy lefele csapó villámnál – ez a legáltalánosabb – a felhőből elindul a Föld felé a villám, majd összekapcsolódik a talajjal, és akkor kialakul egy csatorna, s azon a csatornán utána sok töltés tud a földről felfele áramlani, és ez a folyamat többször ismétlődik ugyanazon a csatornán keresztül. Tehát a meglévő csatorna után lejön egy második tapogatózó, visszamegy utána egy második nagy adag töltés egy nagyobb felvillanással, ezért van, hogy ha nézzük a villámot, akkor időnként a szemünkkel is úgy látjuk, hogy villog.

Ezzel szemben vannak a nem hagyományos villámok: a felfelé menők, ahol pedig egy toronyból, vagy egy hegytetőn lévő antennából indul el a villám, tehát lentről felfelé ágazik szét, és utána csatlakozik a felhőhöz, és úgy alakul ki a felszínnel összekapcsolódó csatorna. A villámoknak ez a négy fő fajtája van: lefelé és felfelé menő, majd ezt megint szét lehet osztani kettőre, hogy pozitív vagy negatív. Így jön ki a négyfajta földre lecsapó villám. Azt azért fontos megemlíteni, hogy a villámok 70 százaléka soha nem éri el a földet, csak felhők között cikázik. A felhő-föld villámból, tehát a fennmaradó 30 százalékból ez a négy kategória van.

A doktori disszertációjában elég sok szó esik a röntgensugárzásról. Egyáltalán mióta tudjuk, hogy röntgensugárzást bocsátanak ki a villámok?

Ez egy nagyon új terület. A villámokkal Benjamin Franklint követően, nagyjából az 1800-as évek óta foglalkoznak, és a villámvédelem is azóta egységes, ma is ugyanúgy a viszonylag régi villámvédelmi technikákat használják, például a villámhárítókat. Ehhez képest a villámok által kibocsájtott nagy energiájú sugárzás, tehát a röntgen- és a gamma-sugárzás témája nagyon új kutatási terület, ha a 2000-es évek legelején megkérdezett volna egy villámkutatót, akkor azt mondta volna, hogy ez lehetetlen. A röntgen- és a gamma-sugárzás általában nukleáris folyamatok eredménye, vagy pedig még kisebb atomi folyamatoké, így nem számítottak rá, hogy ilyet találnak a villámoknál.
A 2000-es évek legelején Új-Mexikóban egy hegytetőn mértek először röntgensugárzást. Úgy fogom hívni, hogy röntgensugárzás, mert az a hagyomány a villámkutató körökben, hogy ami a földön mért sugárzás, azt általában röntgensugárzásnak hívjuk, és amit műholdakról mérünk, azt nevezzük gamma-sugárzásnak, energiától függetlenül. A még nagyobb energiájú gamma-sugárzást műholdak segítségével lehet mérni, ezeket először 1994-ben észlelték, de csak pár évvel később sikerült a villámokhoz kötni őket.

Mit mért a doktori kutatása során, mit mutatott ki?

Amiről a doktorimban elég sokat írok az a következő érdekes kérdés: mi okozza azt, hogy bizonyos villámoknál nagyon kevés röntgensugárzást látunk, vagy akár nem is látunk röntgensugárzást, más villámoknál pedig rengeteget, tehát akár több száz impulzust is mérünk a földön egyetlen egy tapogatózóból. Azt kezdtem el nézni, hogy mi okozza ezt a különbséget. Ahhoz, hogy megértsük, pontosan mi gyorsítja fel ezeket az elektronokat relativisztikus (fénysebesség közeli) sebességekre, ahhoz meg kell értenünk azt, hogy itt miért van röntgensugárzás, ott meg miért nincs. Gyakorlatilag a megfigyelés volt az első és utána erre építettem fel a modelleket. Az egyik publikációmnak az a fő témája, hogy a másodlagos tapogatózó egyes esetekben több röntgensugárzást bocsát ki, mint az első tapogatózó. Ez azt jelenti, hogy az első tapogatózó az, ami a hideg levegőn megy keresztül és kiépíti a felhőből a talajra az első csatornát, majd onnantól kezdve, hogy kiépült ez a csatorna, a második tapogatózó ugyanazon a csatornán jön le, utána van egy kis szünet, majd a harmadik tapogatózó megint ugyanazon a csatornán fog lejönni. A villámnak „van annyi esze”, hogy a legegyszerűbb útvonalon, a már kiépített ionizált csatornán keresztül fog lejönni másodszorra meg harmadszorra is, nem pedig egy új csatornát épít. Bizonyos esetekben létrejöhet egy új csatorna, de az az általános, hogy nem épít újabb csatornát hanem már a meglévőn jön le.
Na már most, mit kell erről tudni? Ha van egy csatorna, ami kiépült és egy pár ezredmásodperc múlva jön le rajta egy második tapogatózó, akkor annak a tapogatózónak sokkal könnyebb dolga van. Az volt a hagyományos gondolkozás, hogy mivel könnyebb dolga van azért nem lesz olyan nagy az elektromos tér a tapogatózónak a csúcspontjaiban, mert nem kell ionizálni a friss hideg levegőt, ezért kisebb elektromos tér lesz és kevesebb röntgensugárzást fog kibocsátani. Azonban itt a Floridai Egyetemen a megfigyeléseink alapján azt látjuk, hogy nemhogy kevesebb, de van, hogy sokkal több röntgen-sugárzást bocsájt ki. Ez volt az egyik publikációm témája, és ez az, amit utána modellezni kezdtem. Azt láttam, hogy a csatorna hőmérséklete fontos tényező, a második, harmadik, negyedik tapogatózó már egy meleg csatornában fog lejönni, ahol sokkal kisebb a légsűrűség. Az első tapogatózó egy 300 Kelvin-fokos (27 Celsius-fokos) csatornában megy végig, míg a második egy 3000 Kelvin-fokosban (2727 Celsius-fokos), tehát tízszer forróbban. A villám csatornája nagyon felmelegedhet, akár 6000 Celsius-fokos is lehet (ez melegebb mint a Nap felszíne).

Valaki megmérte már a villám hőmérsékletét?

Igen. Például infravörös kamerával is tudjuk figyelni, és így meg tudjuk állapítani a villámcsatorna hőmérsékletét. (Lásd a nyitóképet!)

A kép jobb alsó sarkában a szoba ugyanolyan színű, mint a villám, pedig nyilván nem ugyanolyan meleg. Ez hogyan lehetséges?

Az infravörös kamera az intenzitást méri, és nem a hőmérsékletet, ezért a színekből a hőmérsékletre csak ugyanolyan távolságú tárgyaknál lehet következtetni. A szoba sokkal közelebb van a kamerához, mint a villám, ezért alacsonyabb hőmérsékleten is hasonló intenzitásúnak látja a kamera.

Milyen folyamatok zajlanak a csatornában?

Az ionizált csatornában gyakorlatilag sokkal kisebb sűrűségű a levegő, és a második tapogatózónak ezen a meleg és ritkás levegőn kell keresztülmennie, így ebben sokkal egyszerűbb dolguk van az elektronoknak. Hogyha az elektromos térben egy elektron fel akar gyorsulni akkor az azt akarja, hogy egy vákuumközeli állapotú helyen tudjon végigszáguldani, ne pedig egy olyanban, ami nagyon sűrű, mert akkor folyton ütközések vannak, ezek pedig lassítják. A szimulációm eredménye szerint ez a kis sűrűségű, meleg csatorna nagyon jó, mert ebben az elektronok szépen fel tudnak gyorsulni.

Fotózással is foglalkozom, és felfigyeltem rá, hogy van egy gyors filmfelvevőjük. Erről tud egy kicsit mesélni?

A laborban dolgozunk különböző műszerekkel, köztük van a röntgen- és gammasugárzás-mérő; mérjük az elektromos teret, a deriváltját és a mágneses tér deriváltját. Amikor a villám lecsap a földre, akkor az olyan, mint egy óriási nagy rádióantenna, elektromágneses hullámokat sugároz, és ezeket tudjuk mérni e műszerekkel, ez a rádiófrekvenciás mérés. Ezenkívül vannak infravörös frekvenciás kameráink, ultraibolya frekvenciájú kameráink, és vannak a látható fény tartományában felvételeket készítő kameráink. Mindegyik kamera, amivel dolgozunk, nagy sebességű kamera, az egyik másodpercenként 1000 képkockát tud felvenni, a másik 80000 képkockát. Ez az azért érdekes, mert tudunk nézni, elemezni minden folyamatot, a tapogatózó minden egyes lépését, ahogy a villám halad, ha mondjuk egy 10000 kép/másodperces beállítást csinálunk, akkor gyakorlatilag 100 mikroszekundumos felbontással látjuk a villámot. Egy nagyon jó időfelbontással minden egyes részletét meg tudjuk nézni.