Burza - zjawisko fizyczne

Powietrze w górnych warstwach atmosfery jest o wiele zimniejsze niż przy powierzchni Ziemi. Ciepłe powietrze jest lżejsze od zimniejszego, więc unosi się do góry. W trakcie wznoszenia powietrze się rozpręża, a przy rozprężaniu wszystkie gazy bardzo się ochładzają. Wznoszące się powietrze w trakcie rozprężania staje się chłodniejsze od otoczenia, a więc cięższe i opada na dół. Inaczej przebiega ten proces, gdy wznoszące się powietrze zawiera dużo pary wodnej. W miarę ochładzania się powietrza, zawarta w nim para wodna kondensuje się, czyli skrapla. Przy kondensacji wydziela się dużo ciepła. Uwalniające się ciepło powoduje, że powietrze wilgotne stygnie wolniej i jest stale cieplejsze, a więc lżejsze od otoczenia. To jest właśnie mechanizm, który powoduje, że w obszarze burzy powietrze bardzo gwałtownie – z prędkością pociągu pośpiesznego – wznosi się do góry i osiąga wysokość powyżej 15000 m. Na tej wysokości temperatura jest bardzo niska (około -60C). Skondensowane kropelki wody zmieniają się w lód, stopniowo łącząc się z sobą i tworząc coraz większe kryształy. Gdy cząsteczki lodu stają się zbyt wielkie, zaczynają spadać, pociągając ze sobą w dół zimne powietrze. W trakcie opadania cząsteczki lody topnieją i z chmury zaczyna padać deszcz. Ponadto stosunkowo chłodne powietrze, gdy tylko dotrze do powierzchni Ziemi, zaczyna rozchodzić się na boki. Dlatego zwykle przed burzą wieje chłodny wiatr. Opadanie cząsteczek lodu lub kropel wody związane jest jeszcze z jednym zjawiskiem. Ponieważ Ziemia naładowana jest ujemnie, dół kropli lub kryształka lodu ładuje się przez indukcje ładunkiem dodatnim. W czasie lotu w dół ten dodatni koniec kryształka lub kropli odpycha ze swojej drogi jony dodatnie, natomiast przyciąga i pochłania jony ujemne. Następuje tzn. separacja ładunku. Ładunki ujemne gromadzą się na dole chmury, a dodatnie na górze (jest to jedna z teorii separacji ładunku w chmurze stworzona przez angielskiego fizyka C. Wilsona). Ujemny ładunek na dnie chmury staję się na tyle duży, że napięcie pomiędzy Ziemią, a chmurą dochodzi do 100000000 V (Ziemia wprawdzie też ma ładunek ujemny, ale jest on tak maleńki wobec olbrzymiego ładunku ujemnego dołu chmury, że względem chmury Ziemia jest naładowana dodatnio). Te olbrzymie napięcia powodują wyładowania łukowe, czyli uderzenia pioruna. Sam piorun też jest zjawiskiem bardzo złożonym. Najpierw od chmury odrywa się mały, jasny punkt zwany prekursorem, który pędzi w kierunku Ziemi z prędkością 50 km/s. Przebiega 50 m i zatrzymuje się. „Odpoczywa” około 50 nanosekund i znowu posuwa się o krok, zwykle w nieco innym kierunku. Takimi skokami przebywa drogę, aż do Ziemi. Droga, którą przebył, pełna jest ładunków ujemnych i staję się jakby drutem łączącym chmurę z Ziemią. Gdy w końcu ładunek ujemny zbliży się do Ziemi, z Ziemi zaczyna się wyładowanie w jego kierunku. Główne, najjaśniejsze uderzenie biegnie od Ziemi do góry, powodując błysk i grzmot. Prąd płynący w błyskawicy ma natężenie w szczycie około 10000 V (a czasem więcej). Ale to jeszcze nie koniec. Po kilku setnych sekundy biegnie w dół nowy prekursor, zwany „ciemnym prekursorem”. Biegnie tą samą drogą co pierwszy, ale już nie przystaje. Znowu następuje uderzenie powrotne do przygotowanej przez niego drodze. Takich kolejnych uderzeń może być wiele (zaobserwowano do 42 błyskawic na tym samym torze), zawsze jednak następuje ona bardzo szybko po sobie. Potem chmura „odpoczywa” przez co najmniej 5s.

Z opisanego mechanizmu widać również, dlaczego piorun uderza w wystające, ostre przedmioty. Ładunki elektryczne najchętniej gromadzą się na wszelkiego rodzaju ostrzach. Błyskawica przebiega właściwie od Ziemi do chmury, więc gdy prekursor znajdzie się w pobliżu wystającego, ostrego budynku lub drzewa wyładowanie zaczyna się od tego ostrza i dosięga prekursora.

Grzmot na drodze przejścia błyskawicy wydziela się bardzo duża ilość ciepła (zgodnie z prawem Joule’a), powietrze rozgrzane do bardzo wysokiej temperatury gwałtownie się rozpręża. Stąd huk jak przy wystrzale. W ten uproszczony sposób można przedstawić powstanie burzy, błyskawic i piorunów. W rzeczywistości mechanizm powstania burzy, błyskawic i piorunów jest dużo bardziej skomplikowany i jeszcze nie do końca wyjaśniony.