जिकडे तिकडे लख् लख् लख्

ह्यापूर्वी – भाग १- आभाळ वाजलं धडाऽडधूम‎
भाग २- वारा सुटला सू सू सूऽम‎
भाग ३- वीज चमकली चक् चक् चक्

विद्युत्पात – भाग ४
जिकडे तिकडे लख् लख् लख्

वीज कडाडते म्हणजे नक्की कोणत्या प्रक्रिया कोणत्या क्रमाने घडतात ते ह्या भागात पाहू. निमिषार्धात चमकणारी विद्युल्लता नक्की कशी घडते हे वाचण्यासाठी मात्र काही मिनिटे लागतील! ह्या लेखांकाची लांबी इतर लेखांकांच्या तुलनेत जास्त आहे, त्याबद्दल क्षमस्व.

विप्रभारण होताना धन व ऋण आयन एकमेकांच्या दिशेने झेपावतात. त्यावेळी ह्या दोन्ही आयनांना गतिज ऊर्जा प्राप्त होते. अशा अनेक गतिमान आयनांच्या जोड्या तयार होतात ज्या विप्रभारणासाठी मार्ग तयार करतात. विद्युत्पात होताना विप्रभारणाच्या मार्गात रोधक हवा आडवी (!) येत असल्याने तो मार्गाचा हवेतून जाणारा भाग तयार होण्यासाठी तेथील हवेच्या कणांचेही आयनीभवन होते. वीज पडते म्हणजे गर्जनाकारी ढगातील ऋणप्रभारीत भागाकडून जमिनीच्या दिशेने ऋणप्रभार (इलेक्टॉन्स) आणि जमिनीकडून ढगाच्या दिशेने धनप्रभार पाठविला जातो. वीज प्रत्यक्ष जमिनीवर न पडता सामान्यतः जमिनीवरील वस्तूवर (मनोरा, इमारत, झाड, घर अशा सामान्यतः टोकदार व उंच वस्तूवर ) पडते. ढगाकडून जमिनीकडे वाहणा-या ऋणप्रभारांचा परिणाम म्हणून ह्या टोकदार वस्तूंवर (धन) प्रभाराची (अपवादात्मक परिस्थितीत ऋणप्रभाराची) लागण होते, जी ढगातील विरुद्ध प्रभारास आकर्षित करते. २-क ते २-ढ ह्या आकृत्यांमध्ये वीज पडण्याच्या प्रक्रियेतील सर्व टप्पे दर्शविलेले आहेत.

आकृती २-क – गर्जनाकारी मेघ व विप्रभारणासाठीचे ‘सावज’ झाड; २-ख – दुभंग विभव

ढग व जमिनीमधील वा विद्युत्पात होणा-या दोन ढगांमधील विभवांतर सुमारे १० ते १०० किलोव्होल्ट प्रति मीटर एवढे विविध प्रयोगांमध्ये मोजले गेले आहे. ढगाच्या तळाशी दुभंग विभव (breakdown potential) तयार झाले (आकृती २-ख) की ऋणप्रभार जमिनीच्या (वा दुस-या ढगाच्या) दिशेने झेपावतात आणि आयनीभवनाचा मार्ग निर्माण करतात. हा मार्ग सुमारे १० सेंटीमीटर जाडीचा असतो. ह्या मार्गाला ‘प्रातिनिधिक दर्शक’ (pilot leader  वा  step leader) (आकृती २-ग) म्हणतात, कारण हा विप्रभारणाच्या मार्गाची दिशा निश्चित करतो. हा मार्ग टप्प्याटप्प्याने जमिनीच्या दिशेने पुढे सरकतो. प्रत्येक टप्पा सुमारे ५० ते १०० मीटर लांबीचा असतो, तर प्रभारांची गती सुमारे १०० ते १००० किमी प्रति सेकंद एवढी असते. प्रत्येक टप्पा सुमारे १ सूक्ष्मसेकंद (microseconds) टिकतो. पहिला टप्पा संपून पुढचा टप्पा तयार होण्यादरम्यान साधारण ५० सूक्ष्मसेकंद एवढा कालावधी जातो. ह्या कालावधीमध्ये प्रातिनिधिक दर्शक ‘तडाखा देण्यायोग्य’ एखादे ‘सावज’ आसपास आहे का ह्याची चाचपणी करतो. असे ‘सावज’ न मिळाल्यास मार्गाचा पुढचा टप्पा गाठतो. ही चाचपणी मोठ्या क्षेत्रात करता यावी म्हणून ह्या वहनमार्गास दरम्यान काही फाटेही फुटलेले असतात (आकृती २-घ). ५० ते १०० मीटर लांबीचा एक टप्पा तयार होण्यास सुमारे ५० मिलीसेकंद लागतात. अशा रितीने पुढे सरकणा-या दर्शकामुळे वहनमार्ग (conducting path) तयार होतो.

आकृती २-ग – प्रातिनिधिक दर्शक; २-घ – दर्शकास फुटलेले फाटे; २-च – ढगापासून जमिनीच्या दिशेने तयार झालेला वहनमार्ग

ह्या मार्गाच्या प्रति सेंटीमीटर लांबीमध्ये सुमारे १०१३ ते १०१५ एवढ्या आयनजोड्या असतात. प्रातिनिधिक दर्शकाच्या टोकाच्या (head) दिशेने ऋणप्रभारांचे लोट सतत वाहत असतात, ज्यामुळे पुनःप्रभारण होऊन दर्शकास पुढचा टप्पा पार करण्यासाठी बळ मिळते. अशा प्रकारे पुढे सरकणारा दर्शक ढगापासून जमिनीच्या दिशेने काही अंतरापर्यंत असा वहनमार्ग तयार करतो (आकृती २-च). हा वहनमार्ग दहा हजारांहून अधिक टप्प्यांचा बनलेला असतो. दर्शकामध्ये सुमारे ५ कूलंब एवढा ऋणप्रभार असतो आणि जमिनीच्या तुलनेत अतिश प्रबळ (सुमारे १० अब्ज व्होल्टस्) असे विद्युत विभव (electric potential) असते.

आकृती २-छ – धननिर्झर वा प्रवासी ठिणगी; २-ज – विद्युत विभवाची जमिनीशी वहनमार्गे झालेली जोडणी

ढगाने पुढे (वा खाली) केलेला हा हात धरण्यासाठी आता जमिनीने (वा जमिनीवरील वस्तूने) पुढाकार घेण्याची ही वेळ असते. ह्या वस्तूंवर धन प्रभार प्रवर्तित (induce) होतात. ही दाटी एवढी वाढते की विभवांतर वाढून ह्या वस्तूंजवळील हवेचा वैद्युत दुभंग होतो आणि त्या वस्तूपासून दर्शकाकडे झेपावणारा वहनमार्ग तयार होतो. ह्या वहनमार्गास ‘प्रवासी ठिणगी’ (travelling spark) म्हणतात किंवा सामान्यतः हा वहनमार्ग धनप्रभारांचा असल्यामुळे ह्यास ‘धननिर्झर’ (positive streamer) असेही म्हणतात (आकृती २-छ). दर्शक आणि धननिर्झराची हातमिळवणी जमिनीपासून सुमारे ५ ते ३० मीटर उंचीवर घडते आणि ढग आणि जमीन ह्या वहनमार्गाने जोडले जातात. तसेच दर्शकातील विद्युत विभव जमिनीशी जोडले जाते (आकृती २-ज). एकदा ही जोडणी पूर्ण झाली की इतर फाट्यांमधील दर्शक त्यांची चाचपणी थांबवितात. सर्व दर्शकांतील ऋणप्रभार एकत्रितरित्या नव्याने तयार झालेल्या जोडणीमार्गे जमिनीच्या दिशेने पाठविला जातो.

आकृती २-झ – परतीचा झटका; २-ट – ‘ज व क’ दर्शक

ह्याच मार्गाने विद्युतधारा (धनप्रभार) ढगाच्या दिशेने पाठविली जाते आणि हा मार्ग प्रखर तेजाने उजळून निघतो. ही विप्रभारणाची प्रक्रिया १०० सूक्ष्मसेकंदांमध्ये पूर्ण होते जिला ‘परतीचा झटका’ (return stroke) असे म्हणतात (आकृती २-झ). अशी ही विद्युल्लता (विद्युतधारा) जमिनीकडून आकाशाचा दिशेने पळत असली तरी तिचा वेग एवढा प्रचंड असतो की आपल्या डोळ्यांना ती ढगाकडून जमीनीकडे धावल्याचे भासते. धावताना ती इतर फाट्यांनाही उजळवते.

आकृती २-ठ, ड – दर्शकबाण; २-ढ – पुन्हा परतीचा झटका

विप्रभारणाच्या वेळी विद्युतधारा (current) वाढत जाऊन १ सूक्ष्मसेकंदामध्ये ती ३०,००० ऍम्पिअर एवढी वाढते व पुढच्या ५० सूक्ष्मसेकंदांमध्ये पुन्हा कमी होत जाते. एकदा विद्युतधारा वाहिली की पुढच्या २० ते ५० मिलीसेकंदांमध्ये पुन्हा ऋणप्रभारांचा पुरवठा झाल्यास आधीच निर्माण झालेल्या वहनमार्गे पुनःपुन्हा विद्युत्पात होतो. हे जास्तीचे ऋणप्रभार वाहून आणणा-या दर्शकांस ‘ज व क’ (J and K) दर्शक (आकृती २-ट) म्हणतात तर त्यावेळी घडणा-या वैद्युत दुभंगाच्या प्रक्रियेस ‘ज व क’ (J and K) प्रक्रिया असे म्हणतात. हे ‘ज व क’ दर्शक प्रातिनिधिक दर्शकाप्रमाणे ढगाच्या तळाजवळून न येता ढगाच्या ऋणप्रभारित विभागाच्या जास्त आतील भागाकडून येतात. ढगाला जास्तीतजास्त प्रमाणात विप्रभारित करण्याचा हा प्रयत्न असतो. ‘ज व क’ दर्शकांपासून तयार होणा-या दर्शकास दर्शकबाण (dart leader) असे म्हणतात. हा दर्शकबाण (आकृती २-ठ, ड)आधीच्या दर्शकाप्रमाणे टप्प्यांचा बनलेला नसून सलग असतो, कारण त्यासाठीचा मार्ग आधीच तयार असतो. हे दर्शकबाण वहनमार्गे सुमारे १ कूलंब एवढा प्रभार पाठवितात. हे दर्शकबाणही परतीचा झटका (आकृती २-ढ) निर्माण करतात आणि तोच वहनमार्ग पुन्हा एकदा उजळून निघतो. मात्र ह्यावेळचे विद्युल्लतेचे तेज पहिल्यापेक्षा कमी असते.

ज्यावेळी वहनमार्गातून विद्युतधारा वाहते त्यावेळी ह्या वहनमार्गाचे तापमान निमिषार्धात ३०,००० केल्विन पेक्षाही जास्त होते. हे तापमान सूर्याच्या पृष्ठतापमानाहून अधिक असते. तापमान वाढले की हवा प्रसरण पावते. मात्र निमिषार्धात आत्यंतिक प्रमाणात वाढलेल्या तापमानामुळे हवेला प्रसरण पावण्यास पुरेसा वेळ मिळत नाही आणि वहनमार्गाजवळील हवेचा दाब एरवीच्या दाबाच्या दसपट वाढतो. ह्या प्रचंड दाबामुळे हवेचा अक्षरश: स्फोट होतो. ह्या स्फोटामुळे एक धक्कालहर (shock wave) हवेमध्ये वहनमार्गापासून बाहेरच्या दिशेने पसरत जाते जी आपण आवाजाच्या – विजेच्या कडकडाच्या – स्वरूपात ऐकतो. मात्र ध्वनीचा वेग प्रकाशाच्या वेगाहून कमी असल्यामुळे आधी वीज चमकताना दिसते तर कडकडाट नंतर ऐकू येतो. विजेचा कडकडाट वीज पडल्याच्या ठिकाणाच्या सुमारे १५ किमी. त्रिज्येच्या परिसरात ऐकू येतो. मात्र त्याचवेळी मुसळधार पाऊस पडत असल्यास आणि जोरदार वारा वाहत असल्यास हा कडकडाट तेवढ्या दूरपर्यंत ऐकू जात नाही.

अशाप्रकारे असंख्य क्रिया क्षणार्धात घडून उजळणारी आणि कडाडणारी वीज आपल्या डोळ्यांचे पारणे फिटविते आणि कान किटविते. हीच वीज जर आपल्या आसपास पडली तर तोंडचे पाणीही पळविते. त्यामुळे त्या डोंगरांप्रमाणे ही विद्युल्लताही दुरूनच साजरी म्हटलेली बरी!!

(समाप्त)

*२-क ते २-ढ आकृत्या मापनश्रेणीस अनुसरून नाहीत (not drawn to scale). सर्व आकृत्या Wallace, J.M., Hobbs, P.V., 1977, ‘Atmospheric Science – An Introductory Survey’, Academic Press Inc, pp. 206 येथून सुधारित.

(वरदा वैद्य, डिसेंबर २००५ | Varada Vaidya, December 2005)

वीज चमकली चक् चक् चक्

ह्यापूर्वी – भाग १- आभाळ वाजलं धडाऽडधूम‎
भाग २- वारा सुटला सू सू सूऽम‎

विद्युत्पात – भाग३
वीज चमकली चक् चक् चक्

गर्जनाकारी ढगांमध्ये चमकणारी विद्युल्लता हा वातावरणीय विजेचा सामान्यतः आढळणारा आविष्कार असला तरी धुळीचे वादळ, हिमवादळ, ज्वालामुखीचा उद्रेक आणि अण्विक विस्फोट ह्या घटनांदरम्यानही विद्युल्लता निर्माण होऊ शकते. मात्र येथे आपण केवळ गर्जनाकारी मेघांमुळे निर्माण होणा-या पावसाळी वादळातील विद्युल्लतेविषयी पाहणार आहोत.

विद्युत्पात म्हणजे वातावरणामध्ये घडणारे विद्युत विप्रभारण. विद्युत्पात म्हणजे रोधक (insulating) हवेचा वैद्युत दुभंग (electrical breakdown). दोन विरुद्ध प्रभारित विभागांदरम्यान विभवांतर (potential difference) वाढल्यामुळे प्रभारांची देवाणघेवाण होणे आवश्यक होते. मात्र ह्या विभागांदरम्यान असलेली हवा अवाहक (insulator) असते. विभवांतर वाढल्याने दरम्यानच्या हवेचे आयनीभवन (ionization) होऊन हवा दुभंगते आणि विद्युतवहनासाठी थोड्या काळापुरता मार्ग निर्माण होतो. ह्या मार्गाने विद्युतप्रभारांचा निचरा होतो आणि त्यावेळी हा मार्ग उजळून निघतो.

मागील भागात बघितल्याप्रमाणे गर्जनाकारी मेघामध्ये प्रभारांचे वितरण होऊन धनप्रभारी आणि ऋणप्रभारी विभाग तयार होतात. ह्या धन आणि ऋण विभागाच्या केंद्रांदरम्यान तयार होणारे विद्युतक्षेत्र (electric field) हे जास्तीत जास्त २००० व्होल्ट प्रति सेंटीमीटर एवढे असू शकते. एका विद्युत्पातामध्ये सुमारे २० कूलम एवढा विप्रभार होऊ शकतो. एकदा विप्रभार झाल्यानंतर ढगाचे पुनःप्रभारण (rechraging) होण्यासाठी सुमारे २० सेकंदांचा कालावधी जावा लागतो.

आकाशात कडाडणा-या विजेचे सामान्यतः आढळणारे प्रकार खालीलप्रमाणे –

१. मेघांतर्गत विद्युत्पात (वा अंतर्मेघ विद्युत्पात, intra-cloud lightning) – विद्युत्पाताचा हा सर्वात जास्त प्रमाणात आढळणारा प्रकार. एकाच मेघातील दोन – धन व ऋण – प्रभारित विभागांदरम्यान विप्रभारण होऊन विद्युत्पात घडून येतो. ही प्रक्रिया मेघांतर्गत असल्यामुळे बरेचदा वीज पळताना न दिसता ढग आतून उजळल्यासारखा दिसतो. पावसाळी ढगाळलेल्या रात्री विमानप्रवास करताना असे उजळणारे ढग जागोजागी दिसतात. हे विप्रभारण ढगाची कडा सोडून बाहेर पडल्यास प्रखर विजेचा लोळ दिसतो.

२. आंतर्मेघीय विद्युत्पात (inter-cloud lightning) – विद्युत्पाताचा हा प्रकारही मोठ्या प्रमाणात आढळतो. दोन ढगांमधील विरुद्ध प्रभारित विभागांदरम्यान विप्रभारण होते. विप्रभारणाचा मार्ग प्रखर तेजाने उजळून निघतो आणि आपल्याला आकाशात वेडीवाकडी पळणारी वीज दिसते.

३. मेघ व जमिनीदरम्यान होणारा विद्युत्पात (cloud to ground lightning) – विद्युत्पाताचा हा सर्वात धोकादायक प्रकार. ह्यालाच आपण वीज पडणे असे म्हणतो. वीज पडताना कोणत्या गोष्टी कोणत्या क्रमाने होतात ते पुढच्या भागात सविस्तर पाहू. जमिनीवरच्या वस्तूंवरील प्रभार आणि ढगांमधील प्रभारविभागांदरम्यान विप्रभारण होते. सामान्यतः ढगाच्या ऋणप्रभारित विभागाकडून जमिनीकडे विद्युत्पात होतो. मात्र अपवादात्मक परिस्थितीमध्ये ढगातील धनप्रभारित विभाग व जमिनीदरम्यान विद्युत्पात होतो. हा धन विद्युत्पात ऋण विद्युत्पातापेक्षा अधिक प्रखर व अधिक प्रमाणात नुकसान करणारा असतो. सामान्यत: ढगांकडून जमिनीच्या दिशेने विप्रभारण होत असले तरी काही वेळा जमिनीवरील मनोरा वा तत्सम उंच वस्तूंकडून ढगांच्या दिशेने विप्रभारण होते. त्यावेळी वीजेच्या मार्गाला आकाशाच्या दिशेने शाखा फुटल्याप्रमाणे दिसते.

वरील तीनही प्रकारचे विद्युत्पात म्हणजे स्थैतिक विद्युत विप्रभारणच असले तरीही त्यांचे दृश्य स्वरूप विविध प्रकारचे असू शकते. दृश्य स्वरूपानुसार विद्युत्पाताचे प्रकार खालीलप्रमाणे –

१. शाखा विद्युत्पात (fork lightning) – हा नेहमी आढळणारा विद्युत्पात. वीजवहनाच्या मार्गाला अनेक फाटे फुटल्याप्रमाणे दिसतात.

२. गोलक विद्युत्पात (Ball lightning) – विजेचे तेजःपुंज गोलक हवेत वेगाने वा संथ गतीने तरंगताना दिसतात. हे गोलक लाल, केशरी वा पिवळ्या रंगाचे व द्राक्षाएवढ्या आकारापासून ते संत्र्याएवढ्या आकाराचे असू शकतात. हे गोलक काही काळ हवेत तरंगून फुटतात व फटाके फुटल्याप्रमाणे आवाज होतो. हा तसा कमी प्रमाणात आढळणारा विद्युत्पात असून ह्या गोलकांविषयी फारशी माहिती उपलब्ध नाही.

३. उष्ण वा उन्हाळी विद्युत्पात (Heat Lightning) – क्षितिजावर जमा झालेल्या ढगांमध्ये होणारा विद्युत्पात. हा दूरवर होत असल्यामुळे मंद उजेड पडल्याप्रमाणे दिसते. डोक्यावरील आकाश बहुतेकवेळा निरभ्र असते. हा विद्युत्पात युरोपात सामान्यत: उन्हाळ्यात अनुभवास येत असल्यामुळे तेथे त्यास उन्हाळी विद्युत्पात म्हटले जाते.

४. पृष्ठ (sheet), मणी (beads) वा फीत (ribbon) विद्युत्पात – विप्रभारणाच्या मार्गाचा आकार पृष्ठ, मणी वा फितीप्रमाणे असतो.

विद्युत्पात हा ढगाकडून जमिनीकडे वा इतर ढगांच्या दिशेने होतो तसाच तो उर्ध्वदिशेने – आयनावरणाच्या (वातावरणातील सर्वात वरचा भाग. येथे हवेचे कण आयनांच्या स्वरूपात असतात. ionosphere) दिशेनेही – होतो. वातावरणाच्या वरच्या स्तरांतील विद्युत्पाताचे प्रकार खालीलप्रमाणे –

१. अद्भुत (sprite) विद्युत्पात – ढगांच्या वरच्या भागाकडून आयनावरणाच्या दिशेने होणारा हा विद्युत्पात मंद उजेडाच्या लाल-केशरी झोतांप्रमाणे दिसतो. हा विद्युत्पात खालच्या स्तरातील विद्युत्पातापेक्षा जास्त काळ टिकणारा व सामान्यत: धन विद्युत्पात असतो.

२. नीलझोत (blue jets) – ढगांच्या वरील पृष्ठभागापासून आयनावरणाच्या खालच्या भागापर्यंत होणारा हा विद्युत्पात निळ्या प्रकाशाच्या कोनाप्रमाणे दिसतो. अद्भुत विद्युत्पाताच्या तुलनेत प्रखर असणा-या नीलझोतांचे प्रकाशचित्रण सर्वप्रथम एका अवकाशयानाने ऑक्टोबर १९८९ मध्ये केले.

३. एल्फ (elf) विद्युत्पात – मंद, पसरत जाणा-या उजेडाच्या तबकडीप्रमाणे दिसणारा हा विद्युत्पात ढगाच्या वरच्या भागापासून आयनावरणाच्या वरच्या थरांच्या दिशेने होतो. एल्फ विद्युत्पात हा विद्युत्पाताचा नवा प्रकार म्हणून १९९५ मध्ये जाहीर झाला.

पुढील लेखामध्ये विद्युत्पाताची प्रक्रिया विस्ताराने पाहू.

वरदा व. वैद्य, डिसेंबर २००५ । Varada. Vaidya, December 2005

ह्यापुढे – भाग ४- जिकडे तिकडे लख् लख् लख्‎

वारा सुटला सू सू सूऽम

ह्यापूर्वी –भाग १- आभाळ वाजलं धडाऽडधूम‎

विद्युत्पात – भाग २
वारा सुटला सू सू सूऽम

आकाशात चमकणा-या विजेबद्दल जाणून घ्यायचे असेल तर आधी ही विद्युल्लता निर्मिणा-या पावसाळी गर्जनाकारी मेघाच्या (Thundercloud) रचनेबद्दल थोडे जाणून घेणे आवश्यक ठरते. आकृती १ मध्ये दाखविल्याप्रमाणे गर्जनाकारी मेघाची सर्वसाधारण रचना असते. जलाभारामुळे पावसाळी मेघ भूपृष्ठापासून फार उंचीवर नसतात. भूपृष्ठापासून साधारण २ ते १२ किलोमीटर दरम्यान हे ढग पसरलेले असतात. हे ढग तयार होण्यासाठी अस्थिर (atmospheric instability) वातावरणामध्ये बाष्प आणि प्रबळ ऊर्ध्वगामी वा-याची (strong convective wind) उपस्थिती आवश्यक असते. ऊर्ध्वगामी वा-याबरोबर वरच्या दिशेने प्रवास करणारी ऊबदार आणि दमट हवा प्रसरण पावून थंड झाल्यामुळे हवेतील बाष्प गोठून (condensation) ढग तयार होतात. प्रबळ ऊर्ध्वगामी वा-यामुळे ढगांत बाष्प गोठून तयार झालेले असंख्य जलकण खाली न पडता ढगात तरंगत (suspended) राहतात. ढग बाष्पसंपृक्त (moisture saturated) झाल्यावर हे जलकण पावसाच्या थेंबांच्या स्वरूपात खाली पडतात.

आकृती १ – सक्रिय (active) गर्जनाकारी मेघाचा उभा छेद. मेघातील प्रभारांचे उंचीनुसार (डावीकडील मापनश्रेणी) वितरण व मेघाचे तापमान व मेघातील पाण्याची अवस्था (उजवीकडील मापनश्रेणी) दर्शविलेली आहे.
(Fleagle, R.G., Businger, J.A., 1980, ‘An Introduction to Atmospheric Physics’, second edition, International Geophysics Series Vol. 25, pp 138, Academic Press. येथून सुधारित)

ढगांतील जलकण हे बर्फ, हिम व पाणी ह्या स्वरूपात ढगांतील हवेच्या तापमानानुसार पसरलेले असतात. सर्व ढग काही प्रमाणात विद्युतभारित असतात. गर्जनाकारी ढग हे मोठ्या प्रमाणात विद्युतभारित असल्याने ह्या विद्युतभारित मेघकणांचे (cloud droplets)विभाजन होऊन वादळनिर्मिती करण्यास हे ढग सक्षम होतात. ह्या ढगांच्या खालच्या भागात ऋण तर वरच्या भागात धन प्रभार असतो. सक्रिय गर्जनाकारी ढगांमध्ये वरच्या भागात +२४ कूलंब (Coulomb), खालच्या भागात -२० कूलंब तर तळाशी साधारण +४ कूलंब एवढा प्रभार असतो. गर्जनाकारी ढगांची उभी खोली साधारणत: १० किलोमीटर एवढी असते. ह्या ढगांमध्ये पाणी हे अतिशीत जल* (supercooled water) आणि हिमाकणांच्या स्वरूपात असते. बरेचदा ढगाच्या विद्युतीकरणापाठोपाठ ढगातल्या ढगात गारा आणि हिमाचा वर्षाव (precipitation) होतो. ढगांमधे विद्युतप्रभारांची निर्मिती का व कशी होती ह्याबद्दल अनेक सिद्धांतवाद प्रचलित आहेत. ढगांमधील हिमकणांचे अस्तित्व आणि विद्युतीकरणाचा (electrification) दृढसंबंध आहे असे मानणारे काही विद्युतीकरण सिद्धांत जास्त प्रमाणात प्रचलित आहेत. ह्या वादांचे विस्तृत स्पष्टीकरण प्रस्तुत लेखाच्या मर्यादेबाहेर असल्याने येथे दिलेले नाही.

विरुद्ध प्रभारांमध्ये आकर्षण असते. ढगांतील विरुद्ध प्रभारयुक्त विभागांमध्ये, दोन ढगांमधल्या विरुद्ध प्रभारयुक्त विभागांमध्ये वा ढग व जमीनीवरील वस्तू (मनोरा, इमारत, झाड वगैरे) यांदरम्यान निर्माण होणा-या आकर्षणाचा परिणाम विप्रभारामध्ये होतो आणि वीज कडाडते.

*अतिशीत जल – शून्य अंश सेल्सियस तापमानापेक्षा कमी तापमान असतानाही द्रवावस्थेत असणा-या पाण्यास अतिशीत जल असे म्हणतात. पाणी सामान्यतः शून्य अंश सेल्सियस ला गोठते. पाणी गोठण्यासाठी आधी पुरेसे जलकण एकत्र येऊन हिमगर्भ (Ice Nuclei) तयार व्हावे लागतात. ह्या हिमगर्भांची रचना स्फटिकी (crystalline) असते. ढगांमध्ये जोरदार ऊर्ध्वगामी वा-यामुळे पाणी हे सूक्ष्म जलकणांच्या रूपात असते. ढगामध्ये तापमान शून्याच्या खाली गेले तरीही वा-याच्या जोरामुळे पुरेसे जलकण एकत्र येऊन हिमगर्भ तयार होण्याच्या प्रक्रियेचा वेग फारच मंद असतो. त्यामुळे हे जलकण अतिशीत जलाच्या स्वरूपात रहातात. मात्र पुरेसे अतिशीत जलकण एकत्र आल्यास लगेच हिमगर्भ तयार होतो व गोठणप्रक्रियेस सुरुवात होते. अतिशीत जलकणांचा हिमगर्भाशी संपर्क आला की ते हिमगर्भावर जमा होऊन (deposition) त्वरित गोठतात. अशा प्रकारे अनेक जलकणांचे गोठण होऊन त्यांच्या आकारमानानुसार हिमकण अथवा गारा तयार होतात.

वरदा व. वैद्य, डिसेंबर २००५ । Varada V. Vaidya, December 2005

ह्यापुढील लेख – भाग ३- वीज चमकली चक् चक् चक्

आभाळ वाजलं धडाऽडधूम

विद्युत्पात – भाग १
आभाळ वाजलं धडाऽडधूम

वीज चमकतानाचे आकाशातील दृश्य विलोभनीय खरेच. विजेचा चमचमाट, ढगांचा गडगडाट आणि पाऊस म्हणजे आपल्या जीवनाचे अविभाज्य घटकच. ही वीज आकाशात कशी निर्माण होते, वातावरणातील वीज म्हणजे काय? वीज चमकते, पडते म्हणजे नक्की काय होते? ह्या आणि अशा प्रश्नांची उत्तरे (काहीप्रमाणात) देण्यासाठी हा लेखप्रपंच. ही एकूण चार भागांची लेखमाला आहे.

वातावरणीय विद्युत हा एक स्वतंत्र संशोधनाचा विषय गेल्या दोन शतकांपासून शास्त्रज्ञांना भुरळ घालीत आहे. आकाशात चमकणारी वीज ही खरोखरच वीज असते का? ती कशी आणि का तयार होते? ती मोजता येईल का? असे असंख्य प्रश्न शास्त्रज्ञांना भेडसावित होते. आकाशात वाकडीतिकडी पळणारी ही वीज कधीकधी जमिनीवर येऊन काहींचे प्राणही घेत असल्यामुळे ह्या विजेवर अधिक संशोधन गरजेचे होते. तंत्रज्ञानात प्रगती होऊन आकाशात विमाने आणि कृत्रिम उपग्रहांच्या भरा-या सुरू झाल्या तेंव्हा तर ह्या आकाशस्थ विजेबाबतीतील संशोधनाचे महत्त्व अधिकच वाढले.

आकाशात चमकणारी वीज ही खरोखरीच वीज असते का? ह्या प्रश्नाचा शोध घेण्यासाठी सर्वप्रथम प्रयोग करण्याचे श्रेय बेंजामिन फँकलिन ह्या अमेरिकी शास्त्रज्ञाला दिले जाते. बेंजामिन फ्रँकलिन ने त्याचा मुलगा विल्यम ला हाताशी घेऊन एक प्रयोग केला. ढगांचा गडगडाट आणि विजेचा कडकडाट होत असताना ह्या दोघांनी घरी बनविलेला एक पतंग उडविण्यास सुरूवात केली. ह्या पतंगाची दोरी रेशमी होती आणि तिला थोड्या खालच्या बाजूला एक धातूची किल्ली लटकवलेली होती. हा पतंग वादळात उडत असताना मध्येच वीज चमकली आणि त्याबरोबरच पतंगाच्या दोरीला अडकविलेल्या किल्ली मधून ठिणगी उडाली. पावसात भिजल्याने ओल्या झालेल्या रेशमाच्या दोरीने विद्युतवाहकाचे (conductor) कार्य केले. दोरीतून वाहिलेल्या विजेची धातूच्या किल्लीतून उडालेली ठिणगी स्पष्ट दिसली.

अठराव्या शतकाच्या उत्तरार्धात फ्रँकलिनने विद्युत्पात घडवून आणण्यासाठी एका प्रयोगाची आखणी केली. ह्या प्रयोगामुळेच फ्रँकलिनला विद्युतदांड्याचा (lightning rod) निर्माता म्हणून प्रसिद्धी मिळाली. हा प्रयोग फ्रँकलिनच्या ‘मेघ हे विद्युतप्रभारित असतात’ ह्या सिद्धांतावर आधारित होता. ह्या प्रयोगाच्या आखणीनुसार वादळादरम्यान एका व्यक्तीने विद्युतरोधक (insulated) मचाणावर एका हातात लोखंडी दांडा धरून उभे रहावे. दुस-या हातात धातूची जमिनीला जोडलेली तार धरावी. तारेचे हातात धरण्याचे टोक मेणबत्तीमध्ये खुपसून ती मेणबत्ती त्याने हातात धरावी. तारेचे टोक हातात धरल्याने विजेचा झटका बसू नये म्हणून मेणाच्या विद्युतरोधनाच्या ( electrical insulating property) गुणधर्माचा वापर केला होता. आकाशात वीज चमकत असताना मेणबत्ती धरलेला हात आणि जमीन यादरम्यान विद्युत विप्रभार (discharge) होताना पाहणे हा फ्रँकलिनच्या प्रयोगाचा उद्देश होता. जर ढग हे विद्युतभारित (electrically charged) असतील तर हातातील लोखंडी दांडा आणि जमिनीला जोडलेल्या तारेदरम्यान ठिणगी उडताना दिसावयास हवी, असे प्रयोगामागील तत्त्व होते.

मात्र काहींच्या मते सर्वप्रथम हा प्रयोग करण्याचे श्रेय डी अलिबार्ड आणि डी लोर्स ह्या फ्रेंच वैज्ञानिक जोडीकडे जाते. त्यांच्या मते ह्या जोडीने फँकलिनच्या आधी ह्या प्रयोगाची यशस्वी चाचणी केली होती. फ्रँकलिनच्या प्रयोगानंतर अनेकांनी तसे प्रयोग करण्याचे प्रयत्न केले. मात्र विजेचे प्रयोग म्हणजे प्राणाशी खेळच. अशाच एका प्रयोगात रशियन वैज्ञानिक प्रा. जॉर्ज रिचमन यांना वीज पडून प्राण गमवावे लागले.

फ्रँकलिनच्या प्रयोगामुळे आकाशातील विद्युल्लता म्हणजे स्थैतिक विद्युत विप्रभारण (discharge of static electricity) असते असे सिद्ध झाले असले तरीही ह्या विद्युल्लतेच्या सिद्धांतांमध्ये गेल्या दीडशे वर्षांत बरीच सुधारणा/बदल झाले आहेत. विद्युल्लतापात होत असताना पडणा-या विजेचे मोजमाप, वातावरणाच्या तापमानात होणारा क्षणिक बदल, वीज पडू नये म्हणून/पडल्यावर घ्यावयाची काळजी वगैरे विषयांचे ज्ञान विविध प्रयोगांच्या माध्यमातून उलगडले गेले आहे. तरीही विद्युल्लतापात का होतो? ह्या प्रश्नाचे संपूर्ण आणि समाधानकारक उत्तर शास्त्रज्ञांना अजूनही सापडलेले नाही.

वरदा व. वैद्य, डेसेंबर २००५ । Varada V. Vaidya, December 2005
ह्यापुढील लेख – भाग २- वारा सुटला सू सू सूऽम‎/span>