Bieten Raketenabgasfahnen wirklich einen Weg für Blitze?

Es ist ein bisschen unklar, was die Frage ist, aber ich denke, es könnte sein, ob der Blitz nur zufällig einen Weg entlang der Wolke des Saturn V gewählt hat oder die elektrische Entladung erleichtert hat, indem er einen geerdeten, leitfähigeren Weg als seine Umgebung bereitgestellt hat normalerweise würde?

Wenn dies die Frage ist, dann müsste ich sagen, dass letzteres die Ursache für den Weg ist, den Blitze genommen haben, um auf den Boden zu treffen und die elektrische Entladung des Hauptblitzes zu verursachen. Ich sagte Blitze (Plural), weil es tatsächlich zwei Blitze gab, die sich während des Fluges selbst durch den Körper der Saturn V entluden, die auch zum Boden wanderten und den Kran und die Plattform der mobilen Trägerrakete trafen, so dass diese Mission in dieser Hinsicht wirklich unglücklich war Sinn.

Der Start erfolgte in einen bedrohlich grauen Himmel mit bedrohlichen Kumuluswolken. Pete Conrads Worte 43 Sekunden nach dem Start elektrisierten alle im Kontrollzentrum: „Wir hatten eine ganze Reihe von Bussen, die ausfielen“ , gefolgt von „Wohin gehen wir?“. und "Ich habe gerade die Plattform verloren." Das Raumschiff war vom Blitz getroffen worden. Warnlichter leuchteten auf und das Leitsystem des Raumfahrzeugs verlor seine Lagereferenz.

                              

                              ^{Zitat- und Fotoquelle: NASA History Program Office}

Die Art und Weise, wie Blitze unter normalen Umständen durch die Atmosphäre wandern, ist ein ziemlich komplexer Prozess, um den besten leitenden Kanal von der negativ geladenen Quelle zur positiv geladenen Senke zu finden . Seit der Erfindung von Hochgeschwindigkeitskameras haben wir das Glück, diesen Prozess, der größtenteils ungefähr in einer Sekunde abläuft, sehr detailliert zu untersuchen. Ich schlage vor, einige Videos anzusehen, die erklären, wie sich die Blitze in Zeitlupe bilden, zum Beispiel sollte dieses YouTube-Video den Zweck gut genug erfüllen.

Blitze sind normalerweise von Wolke zu Erde ausgerichtet, wobei die Wolke eine negative elektrische Ladung und die Erde eine positive hat, aber in einigen Fällen kann diese Ladung auch umgekehrt sein. Bevor jedoch die Hauptentladung stattfinden kann, bildet der Blitz eine leitende Leitung von der Quelle zur Senke, indem er viele kleinere Blitze in scheinbar zufälliger Richtung und Größe zur Senke bildet. Sie sind nicht gerade zufällig, aber das ist für die Frage irrelevant. Diese kleineren Armbolzen (oder ist es ein Tentakel?) entladen einen kleineren Teil der Gesamtladung des Blitzes, aber genug, um die umgebende Luft aufzuladen und ein Plasma zu bildenLeitung. Erreicht diese Leitung die Senke, erfolgt die meist deutlich stärkere Vollentladung, vorausgesetzt natürlich, dass sich die Gesamtladung nicht bereits während der Bildung der leitfähigen Plasmaleitung in die Atmosphäre verflüchtigt hat. Dies ist eine etwas großzügige Vereinfachung des Blitzentladungsprozesses, aber sagen wir vorerst, dass der Blitz versuchen wird, den Weg des geringsten elektrischen Widerstands zu finden , und wir werden dies später auf unseren Apollo 12 aus der Frage anwenden.

Ich gehe davon aus, dass die Blitzereignisse von Apollo 12 durch die viel häufigeren negativ geladenen Gewitterwolken verursacht wurden, die sich zum Boden entladen, aber was die Leitfähigkeit der Wolke betrifft, spielt dies keine Rolle und würde in beide Richtungen funktionieren. In diese Richtung weist auch die Beschreibung des Ereignisses auf der Wikipedia-Seite zu Apollo 12 :

Sechsunddreißigeinhalb Sekunden nach dem Abheben löste das Fahrzeug eine Blitzentladung durch sich selbst und durch die ionisierte Wolke des Saturn zur Erde aus. Schutzschaltungen an den Brennstoffzellen im Servicemodul (SM) haben fälschlicherweise Überlastungen erkannt und alle drei Brennstoffzellen sowie einen Großteil der Instrumentierung des Befehls-/Servicemoduls (CSM) offline geschaltet. Ein zweiter Schlag 52 Sekunden nach dem Start schlug die "8-Ball"-Lageanzeige aus. Der Telemetriestrom bei Mission Control war verstümmelt. Das Fahrzeug flog jedoch weiterhin korrekt; Die Streiks hatten die Saturn V-Instrumenteneinheit nicht beeinträchtigt.

Wir haben zuvor festgestellt, dass der Hauptentladungsbolzen des Blitzes während seiner Leitungssuche den Weg des geringsten elektrischen Widerstands nimmt, beginnend von der Quelle bis zur Entladung in die Senke, das ist normalerweise der Boden. Wenn wir nun auf seinem Weg etwas einführen würden, das bereits ein ziemlich guter elektrischer Leiter ist, wie zum Beispiel ein metallischer Raketenkörper oder auch ein guter und geerdeter Leiter wie die mobile Startplattform, würde dies dem Blitz viel Mühe ersparen , seinen zu etablieren Kanal und verwenden Sie einfach das, was bereits da ist, und fahren Sie von da an in Richtung Waschbecken fort. Aber was hat das mit der Raketenfahne zu tun? Zwei Dinge wirklich.

Erstens befanden sich beide Blitzereignisse innerhalb der Verbrennung der ersten Stufe des Saturn V (danke an @AnthonyX für den Hinweis in den Kommentaren), für die 5 der Rocketdyne F-1- Triebwerke unter Verwendung der Lox / RP-1- Treibmittelformulierung (flüssig ) verwendet wurden zweiatomiger Sauerstoff oder O ₂ als Oxidationsmittel und Raketentreibstoff-1 , ein hochraffiniertes Kerosin als Brennstoff) mit einem Verhältnis von Oxidationsmittel zu Brennstoff von 1:2,27.

Jeder auf Kohlenwasserstoff basierende Kraftstoff, was Kerosin ist, würde Kohlendioxid (CO ₂ ), Kohlenmonoxid (CO), Kohlenwasserstoff (HC) und Stickoxide (NO _x ) in der Abgasfahne erzeugen. Während sich nicht viel Wasserdampf bilden würde, da überschüssiger Kohlenwasserstoffwasserstoff mit dem Oxidationsmittel und atmosphärischem Sauerstoff zu Wassermolekülen (H ₂ O) reagiert, sorgten die Wetterbedingungen für erhöhte Feuchtigkeitswerte und damit für die Zugabe von Umgebungswasser zur Mischung. Reines Wasser selbst ist kein großer elektrischer Leiter (reines und deionisiertes Wasser hat eine Leitfähigkeit von etwa 5,5 μS/m, Mikrosiemenspro Meter, was aufgrund von Zusätzen bis zu 10-mal weniger als Ihr durchschnittliches Leitungswasser sein könnte), würden die Abgase der Rakete Zusätze in die Mischung dieser inzwischen verdampften Wassermoleküle innerhalb und um die Wolke einbringen und ihre elektrische Leitfähigkeit dramatisch verbessern .

Aber das ist nicht die ganze Geschichte. Diese Wolke wird ebenfalls mit Überschallgeschwindigkeit und natürlich extrem heiß durch die Düse des Raketentriebwerks ausgestoßen. Geschwindigkeit und Temperatur der Abgase der Rakete durch die Atmosphäre sind groß genug, damit die Abgas- und atmosphärischen Moleküle stark ionisieren und eine Plasmahülle bilden , die die Abgasfahne umgibt. Plasma ist natürlich genau die Leitung, die der Blitz mit seinen Armbolzen bilden würde , die wir bereits erwähnt haben, und erklärt, wie der Blitz versucht, den elektrisch leitfähigsten Weg von der Quelle zu seiner Senke zu finden, wo er sich entlädt. Diese Plasmawolke würde also auch der Hauptentladungsbolzen des Blitzes auf dem metallischen Körper der Rakete wiederverwenden.

Und deshalb fanden die beiden Blitze, die Apollo 12 während des Fluges durch die untere Atmosphäre trafen und an einem bewölkten Tag einen Weg durch den metallischen Körper der Saturn V, durch die Abgasfahne der Rakete und trafen schließlich die hoch oben ragende, größtenteils metallische Konstruktion der mobilen Trägerplattform Erde, bevor sie in die Erde geleitet werden. Es war der Weg mit dem geringsten elektrischen Widerstand, und die Wolke ist am Auslass heiß und schnell genug, um an den Rändern der Wolke zu ionisieren und ein Wasserdampfplasma zu bilden, das im Vergleich zur Umgebungsluft ein ausgezeichneter elektrischer Leiter ist. Selbst wenn es stark regnete, wäre es immer noch nicht viel anders, als einen langen Blitzableiter zu nehmenund stocherte damit in der Gewitterwolke. Das ist in gewisser Weise das, was Saturn V auf der Apollo-12-Mission getan hat.

Gut, dass sie Pete Conrad an Bord hatten, er war dafür bekannt, in fast allen Situationen Humor zu finden.