Bagaimana terjadinya petir?

Petir pada alam merupakan peristiwa alami locatnya muatan muatan listrik diantara awan ke awan atau awan ke permukaan bumi. Persyaratan utama terjadinya locatan muatan elektron di awan dimulai dari pergerakan angin ke atas didalam awan Cumulus yang kuat. Dilaporkan kecepatan yang dapat dicapai mencapai 150 km/jam. Di dalam awan, uap uap air berkondensasi menjadi partikel air yang lebih kecil lagi namum partikelnya lebih stabil. Bila ketinggian awan Cumulus tersebut cukup tinggi, maka pergerakan angin didalam awan tersebut dapat mempunyai suhu dibawah 0 derajat celcius. Hal ini menyebabkan partikel air didalam awan membeku, membentuk partikel es. Melalui proses resublimasi, berubahlah fisik partikel air ini. Sejalan dengan waktu, bergabunglah beberapa partikel es menjadi partikel kumpulan es yang besar dan berat. Partikel salju ini akan jatuh karena daya gravitasi atas beratnya sendiri ke permukaan bumi. Pada stadium ini, terpecah beberapa kristal es yang lebih kecil dan ringan dari kumpulan kumpulan es yang lebih berat. Perpecahan ini memecah juga struktur elektron didalamnya. Hal ini mengakibatkan kumpulan es yang lebih berat akan jatuh ke lapisan awan dibawahnya dan kumpulan ini mempunyai muatan negative. Sedangkan partikel es yang terpisah dari kumpulan es berat, akan tertiup angin didalam awan ke arah lapisan atas awan. Hal ini menjadikan lapisan awan dibagian atas mempunyai muatan postive. Peristiwa ini mengakibatkan terkutubnya listrik di awan atas 2 kutub berbeda (positve dibagian atas dan negative dibagian bawah awan). Besarnya muatan atas terkutubnya listrik di awan bergantung dari volume dari awan tersebut.

Di dalam awan bagian atas terjadi masa angin yang meniup ke arah bawah, membentuk kanal saluran angin yang bermuatan negative. Muatan angin negative dari bagian atas awan akan dipengaruhi muatan negative bagian bawah awan yang lebih kuat. Hukum Coloumb akan bekerja disini, yang menyatakan apabila muatan yang sama ( positive & positive atau negative & negative ) saling bertabrakan, maka akan terjadi gaya tolak menolak diantara keduanya dan pada saat yang sama terjadi gaya tarik menarik antara muatan yang berbeda ( positive & negative ). Selanjutnya, bagian bawah awan akan mencair menjadi partikel air, dengan bermuatan positive, meninggalkan bagian bawah awan yang bermuatan negative.

Petir merupakan usaha alami untuk menetralkan muatan listrik yang dimiliki oleh awan. Sehingga, kita mengenal ada 2 jenis petir berdasarkan sumber muasal muatan listriknya, petir yang terjadi antar awan dan petir yang terjadi antara awan dengan permukaan bumi. Untuk terciptanya loncatan listrik petir dari awan ke permukaan tanah, kedua lokasi harus mempunyai perbedaan tegangan listrik hingga sebesar 10 juta Volt. Udara mempunyai kemampuan mentrasfer listrik bila listrik tersebut mempunyai tegangan sebesar 3 juta Volt setiap meternya. Harga ini akan berkurang bila kelembaban udara meningkat. Dalam kenyataannya, dalam suasana badai sekalipun dan kelembaban udara meningkat, tapi hanya mencapai sekitar 200.000 Volt per meter. Nilai ini jauh dibawah kemampuan trasfer listrik melalui udara. Penelitian sekarang ini menemukan bahwa walaupun kemampuan trasfer listrk udara hanya 200.000 Volt per meter, sebelumnya udara telah bereaksi melalui proses ionisasi, menjadi lebih bersifat penghantar listrik.

Sebelum petir tercipta, telah terbentuk di udara sebuah jalur elektron karena proses ionisasi antara udara dengan elektron. Jalur ionisasi kanal di udara tersebut tercipta menyerupai bentuk anak tangga ( zig zag ), yang menghubungkan antara awan dengan permukaan tanah. Bentuk zig zag terjadi karena ionisasi terjadi bervariasi disetiap lapisan udara, dari meter ke meter berikutnya. Setelah terjadi jalur konduktor di udara, petir dapat terjadi cukup dengan perbedaan tegangan sebesar 250.000 Elektronvolt antara awan ke awan atau awan ke permukaan tanah.

Sesaat sebelum terjadinya petir, terbentuk di permukaan tanah sebuah ( atau lebih ) jalur penerima tegangan. Jalur penerima tegangan ini biasanya tercipta di pucuk bentuk yang form runcing diatas permukaan tanah (seperti : pucuk pohon, pucuk bangunan tinggi, menara dsb), yang biasanya mempunyai ketinggian yang paling tinggi dengan kondisi sekelilingnya.

Biasanya (meskipun tidak selalu) terbentuk bersamaan antara jalur ionisasi elektron dengan jalur penerima tegangan di atas permukaan tanah. Jalur kanal ini diketahui mempunyai radius dimensi sebesar 12 mm, yang nantinya menjadi jalur utama petir. Jalur ini nantinya akan sangat terang pada saat terjadinya petir. Cahaya terang petir disebabkan karena terbentuknya proses plasma dalam jalur kanal tersebut.

Rata rata setiap petir mempunyai 4 hingga 5 jalur utama akibat ionisasi. Persiapan pelepasan elektron melalui jalur ini membutuhkan waktu sekitar 0,01 detik, setelah itu terjadi petir dengan waktu trasfer sekitar 0,0004 detik. Setelah terjadinya petir, membutuhkan waktu istirahat (0,03 - 0,05 detik ) untuk mempersiapkan kembali petir berikutnya. Diketahui pernah terjadi hingga 42 petir terus menerus tanpa henti. Rata rata kuat arus dalam petir sebesar 20.000 ampere. Dengan kekuatan arus ini, mengalir elektron dari awan menuju permukaan tanah. Hal ini disebut juga, petir negative. Pada kasus yang jarang, kadang dijumpai locatan listrik pendek dari permukaan tanah (ujung pohon, ujung menara dsb). Ini disebut petir positive. Petir positive diketahui hanya mempunyai satu jalur utama terjadinya loncatan. Tapi petir positive mempunyai kuat arus yang lebih tinggi dari petir negative (sebesar 300.000 Ampere). Terjadinya petir positive hanya sekitar 5% dari total terjadinya petir. Loncatan petir dapat terjadi sejauh beberapa kilo meter, antara awan dengan permukaan tanah.

Suara gemuruh petir merupakan hasil dari pemanasan udara yang ada didalam jalur utama petir oleh loncatan listrik. Diketahui udara didalam kanal dipanaskan hingga suhu 30.000 °C ( 5 kali panas permukaan matahari ). Pemanasan dalam waktu tiba tiba dengan suhu sedemikian tinggi membuat suara ledakan gemuruh didalamnya. Karena kecepatan cahaya (300.000 km / detik) lebih cepat dari pada kecepatan suara (332 meter / detik), kita melihat cahaya petir dahulu, baru kemudian disusul suara gemuruhnya. Dari sini kita bisa memperikirakan, jarak terjadinya petir dengan tempat kita berdiri dengan menghitung waktu antara terjadinya cahaya petir dengan suara gemuruh. Untuk petir yang terjadi di jarak 1 km, membutuhkan waktu 3 detik perbedaan waktu cahaya dengan suara gemuruh petir.