(Fr.: décharge atmosphérique; Du.: atmosphärische Entladung; Eng.: atmospheric discharge), een elektrische doorslag van een luchtweg die in lengte kan variëren van enkele millimeters tot enkele kilometers; deze elektrische doorslag is een vorm van gasontlading.
De bekendste vorm van atmosferische ontladingen is de bliksem, maar ook Sint Elmusvuur, een elektrische sproeiontlading of corona aan scherpe spitsen zoals scheepsmasten, behoort daartoe.
Bij doorslag wordt het ladingsverschil vereffend tussen twee ladingsdragers (tussen twee wolken of tussen wolk en aarde). Deze ladingsverschillen worden veroorzaakt door wrijvingselektriciteit. Bij de wrijving van twee verschillende stoffen langs elkaar ontstaat een verschil in elektrische lading. Het klassieke voorbeeld is de ebonieten staaf, gewreven met een kattevel en de meer wetenschappelijk aandoende elektriseermachine; een modernere en welbekende versie is de trui van goed-isolerende kunstvezel die knettert als men hem uittrekt.
Ontstaan van wrijvingselektriciteit in de atmosfeer.
In de atmosfeer is het de wrijving van verschillende luchtlagen langs elkaar en vooral de wrijving van waterdruppels en ijskristallen met de omringende lucht die de ladingsuitsplitsing veroorzaakt. De ene ‘stof ’ neemt elektronen op en krijgt daardoor de negatieve polariteit, de andere ‘stof ’ staat deze elektronen af en krijgt daarmee de positieve polariteit. Hierbij kunnen spanningsverschillen van tientallen miljoenen volts ontstaan. Men kan dit atmosferische verschijnsel een reusachtige natuurlijke elektriseermachine noemen.
De werking van deze elektriseermachine berust op twee fundamentele voorwaarden: sterke opwaartse luchtstromen én hoge vochtigheidsgraad van de betrokken luchtmassa. Wij kennen deze combinatie o.a. als broeierig weer. Daarnaast speelt de vanzelfsprekende aanwezigheid van de zwaartekracht een essentiële rol.
Bij de opwaartse luchtstromen worden drie typen onderscheiden: thermische, merkbaar in de vorming van cumulus- of stapelwolken bij mooi zomerweer en ook bekend als thermiek; frontale waarbij door het toestromen van koude zwaardere lucht de warmere en vochtige luchtlagen worden opgetild; zgn. orografische die ontstaan doordat stromende luchtmassa’s tegen bergen of heuvels omhoog worden gestuwd en vaak aanleiding geven voor stuwregens.
De hoge vochtigheidsgraad is noodzakelijk voor de vorming van de naast lucht nodige ‘andere’ stof, regendruppels en ijskristallen (ook wel in de vorm van hagel); de vorming hiervan vindt op grotere hoogte na voldoende afkoeling plaats; hierbij komt tevens alle condensatie- en stollingswarmte vrij, die zorgt voor het in stand houden van de thermiek in de opstijgende lucht. Zodra deze water- en ijsdeeltjes tegen de opwaarts stromende lucht in naar beneden beginnen te vallen, treedt in sterke mate de opwekking van wrijvingselektriciteit op.
Elektrische doorslag in de atmosfeer.
Indien bij de vorming van elektrische ladingen van verschillende polariteit de ermee samenhangende spanningsverschillen groot geboeg en/of de afstanden klein genoeg zijn treedt luchtdoorslag op en worden de ladingen vereffend. Door de spronggewijze voortplanting van de ontlading, per ‘sprong’ over een afstand van 10...100 m, en door het ‘meevoeren’ van de gunstige ontladingscondities (hoge elektrische veldsterkte) voor de volgende doorslagsprong, kunnen enorme afstanden door de bliksem worden overbrugd, mede omdat de ontlading onderweg steeds wordt bijgevoed vanuit het onweersveld. Zo’n onweersveld bestaat doorgaans uit een aantal gescheiden cellen die elk een horizontale afmeting van enkele kilometers hebben en waarbinnen een eigen circulatiesysteem de elektriseermachine aandrijft.
De enkelvoudige (gas)ontladingen duren doorgaans een tot tien microseconde. De gehele reeks van deze ontladingen met relatief grote tussenpozen, die wordt ervaren als één bliksemflits, kan enkele milliseconden tot, in zeldzame gevallen, een seconde duren.
Atmosferische gasontlading.
Bij de gasontlading, in andere vorm bekend van TL-verlichting waarvan de ontstekingsfase kan worden vergeleken met de atmosferische ontlading, ontstaat allereerst bij een plaatselijk hoge elektrische veldsterkte een vonk of gedeeltelijke doorslag van de luchtweg. In deze partiële doorslag is de lucht geïoniseerd, d.w.z. sommige luchtmoleculen hebben elektronen afgestaan en zijn daarmee positieve ionen geworden. Elektronen en ionen worden in het elektrisch veld tussen beide ladingen in tegengestelde richting bewogen; de elektronen bewegen zich naar de positieve lading, de ionen naar de negatieve lading. Daarbij botsen deze bewegende geladen deeltjes als projectielen met neutrale luchtmoleculen die ze ontmoeten; als deze botsing hevig genoeg is dan wordt een getroffen luchtmolecule geïoniseerd door het ‘erafschieten’ van een of meer elektronen. Indien deze vermenigvuldiging van geladen deeltjes maar sterk genoeg is, ontstaat een lawineachtige aangroei; zodra deze voortschrijdende lawine een voldoende groot deel van de aanvankelijk isolerende luchtweg min of meer geleidend heeft gemaakt (heeft overbrugd), dan volgt ‘doorslag’ van dat stuk lucht. De hierbij optredende stromen blijven waarschijnlijk beperkt tot een waarde van 10...100 A. Door het verplaatsen van ladingen dat hierbij optreedt worden de condities voor verdere doorslag doorgaans steeds gunstiger, waarbij de ontlading bij het voortgaan steeds naar de zwakste plekken zoekt (weg van de minste weerstand); dit geeft het bekende zigzagkarakter aan de bliksem.
Na deze schoksgewijze doorslag die totaal ca. 0,01 s duurt en in de meeste gevallen vanuit de wolken naar de aarde gericht is, wordt een punt op 20...200 m vanaf de aarde bereikt en op dat moment ontstaat vanaf de aarde, doorgaans vanaf een hoog punt zoals toren of schoorsteen, een tegenontlading. Zodra beide ontladingen elkaar ontmoeten en de luchtisolatie daarmee voldoende is overbrugd, volgt de hoofdontlading die de grote ladingshoeveelheden verplaatst, waarbij ladingen van tegengestelde polariteit (elektronen en ionen) elkaar neutraliseren. De elektrische stroom (= bewegende lading) groeit zo sterk aan dat de lucht in het doorslagkanaal of -pad schoksgewijs wordt verhit en als het ware explodeert; dit is de bekende donderslag. In de atmosferische ontladingen kunnen daarbij elektrische stroomsterkten van enige honderdduizenden ampères optreden. De in de geladen wolken opgezamelde energie, die volledig ontleend is aan de zonnestraling, wordt bij de ontlading voornamelijk omgezet in warmte en voorts in licht, geluid en chemische energie door de vorming van ozon en stikstofoxiden. Het voorkomen van atmosferische ontladingen hangt sterk van de geografische en meteorologische omstandigheden van een landstreek af.
In verschillende landen zijn reeds gedurende lange tijd onderzoekingen verricht op het gebied van atmosferische ontladingen, vooral in de Verenigde Staten, Zwitserland en Duitsland. Voor het laatstgenoemde land blijkt bijv. statistisch te gelden, dat per jaar en per km2 ongeveer vijf blikseminslagen optreden. Daarbij komt dat naar schatting ca. 85% van alle ontladingen in de lucht plaatsvindt en alleen de resterende 15% de aarde bereikt. Binnen het Duitse gebied varieert het genoemde getal van 5 nog van 3 voor vlak en droog terrein tot 18 voor het gebied tegen de Alpen aan. Overigens zijn vooral de Zwitserse onderzoekingen van prof. Berger op de top van de berg San Salvatore bekend.