Wyładowania atmosferyczne

ELEKTRYCZNOŚĆ ATMOSFERYCZNA (BURZE) - Schemat przebiegu procesu burzowego

1. Wyładowania atmosferyczne

W upalne i wilgotne dni lata silne prądy unoszące ciepłe powietrze w górne rejony atmosfery tworzą chmury kłębiaste, które szybko przekształcają się w wysokie chmury kłębiasto deszczowe. Tym groźnie wyglądającym, czarnym chmurom towarzyszą porywiste wiatry, ulewne deszcze oraz błyskawice i grzmoty. Podczas wyładowań atmosferycznych wyzwalają się ogromne ilości energii, której wykorzystanie stanowi ciągle nie spełnione marzenie człowieka.

2. Jak powstają burze?

Szybki rozwój ogromnych chmur burzowych i wilgotny chłodny wiatr, zwiastujący zbliżającą się burzę, są dobrze znane w większości regionów strefy tropikalnej i umiarkowanej. Na całym świecie w tym samym czasie ma miejsce około 1800 burz.

Chmury zaczynają się tworzyć, gdy w chwiejnym wycinku atmosfery rozwija się silny wstępujący prąd ciepłego i wilgotnego powietrza. Gdy rozbudowująca się chmura dorasta do wysokości, co najmniej 12 km, para wodna skrapla się. Wówczas deszcz, śnieg, a nawet grad, padają wewnątrz chmury tak intensywnie, że pojawiają się tam bardzo silne zstępujące prądy zimnego powietrza, opadającego z dużych wysokości. Wkrótce potem niebo przeszywa błyskawica, rozlega się grzmot i spada ulewny deszcz, wyrzucany z chmury przez zmagające się ze sobą prądy powietrza. W końcu zwyciężają prądy zstępujące, tłumiąc ciepłe, wilgotne prądy skierowane ku górze. Deszcz zmniejsza się, wiatr słabnie i burza kończy się prawie tak nagle, jak się zaczęła.

Błyskawica jest wyładowaniem elektrycznym o bardzo dużym natężeniu, które przenosi w kierunku ziemi ujemne ładunki elektryczne. Przepływ elektronów może odbywać się także wewnątrz chmury, między różnymi jej warstwami. W momencie, kiedy ładunek przewodni zaczyna wędrować ku Ziemi, przenosi ujemny ładunek elektryczny i pozostawia za sobą kanał silnie zjonizowanego powietrza o średnicy 1-5 cm, tworząc po drodze rozgałęzioną ścieżkę. Poszczególne gałęzie ścieżki rosną i w końcu jedna z nich osiąga punkt na Ziemi sprowadzając ładunki ujemne. Przepływ ten zwany jest wyładowaniem wstępnym lub liderem. Intensywny przepływ ładunków dodatnich trwa zaledwie około 0.0001 sekundy, lecz jest ponad 1000 razy większy od przepływów w domowej sieci energetycznej.

Teraz wyjątkowo jasne wyładowanie zaczyna biec w górę tym samym kanałem i przenosi ono do chmury prądy dodatnie zwane powrotnymi. Potem następują kolejne wyładowania wstępne oraz powrotne, które wykorzystują ten sam zjonizowany kanał. Cały ten proces powtarzany jest kilkakrotnie w ciągu ułamka sekundy, dopóki ładunki w chmurze nie zostaną zneutralizowane. Wszystkie błyskawice są bezbarwne. My widzimy je, ponieważ rozgrzane powietrze świeci tak, jak i inne substancje, które od 800 stopni Celsjusza zaczynają żarzyć się na czerwono, a wraz ze wzrostem temperatury, światło staje się bielsze i jaśniejsze.

3. Skąd się biorą pioruny?

We wnętrzu chmury rozbudowują się potężne ładunki elektryczne. Nie jest całkowicie jasne, jak to się dzieje, ale wiadomo, że ładunki dodatnie tworzą się w pobliżu wierzchołka chmury, zaś ujemne-w okolicy jej podstawy. Ładunki ujemne przyciągane są przez dodatnio naładowaną powierzchnię ziemi. Powietrze jest jednak dobrym izolatorem i przez pewien czas uniemożliwia przepływ elektryczności, który mógłby zrównoważyć ładunki.

Gdy napięcie staje się dostatecznie wysokie, następuje dwuetapowe uderzenie pioruna. Szereg tzw. błyskawic-przewodników spada z chmury zygzakami w dół, a równocześnie podobne wyładowania wzbijają się z ziemi ku górze. W wyniku zetknięcia się obu wyładowań otwiera się kanał przewodzący między ziemią a chmurą. Wówczas wzdłuż tego kanału przepływa w górę, do wnętrza chmury, potężny prąd elektryczny. To drugie \"powrotne wyładowanie\" wytwarza światło, które widzimy jako błyskawicę.

Zazwyczaj długość pioruna waha się w granicach kilometra, ale spotkano także takie, które miały więcej niż 10 km. Zanotowano iskry o długości 40-50 km, a nawet o długości... 150 km. Napięcie między chmurą, a ziemią (dla pioruna ok. kilometrowego) ma wartość kilkuset milionów voltów [V], czyli kilkuset megavoltów [MV] (nie jest to jednak stała wartość, bo zależnie od panujących w danej chwili warunków atmosferycznych [obfitość deszczu, zanieczyszczenie, temperatura i ciśnienie powietrza] może być mniejsza lub większa). Moc pioruna jest ogromna - piorun niszczy wszystko, nawet izolatory w liniach elektrycznych wysokiego napięcia. Piorun jednak niesie zwykle mało energii (jakieś 150 - 200 kWh), a to dlatego, że trwa niezwykle krótko.

Istnieją miejsca na ziemi (np. wyspa Jawa), które mają średnio 222 dni burzowe w roku, ale występują tam też lata, w których jest ich aż 322. W Polsce rocznie jest do 36, a na wybrzeżu Kalifornii do 8 dni burzowych. Rocznie na świecie porażonych przez pioruny jest kilka tysięcy osób, dziennie kilkudziesięciu. Cały czas nad powierzchnią ziemi szaleje ponad 40 tys. burz. W czasie burzy na naszych terenach pojawia się średnio 65 piorunów na godzinę, a w rejonach tropikalnych nawet 10 000.

Szerokość kanału pioruna zmienia się w czasie i rośnie od kilku milimetrów do 2-3 centymetrów, jego temperatura osiąga 25 000 K (kelvinów), czyli ponad cztery razy więcej niż powierzchnia Słońca.

4. Jak powstaje grzmot?

Temperatura wewnątrz pioruna może osiągać przeszło 15 tysięcy stopni Celsjusza, jest więc wyższa niż temperatura powierzchni Słońca. Ten nagły dopływ ciepła może powodować zerwanie pni drzew wskutek zamiany ich soków w parę albo zamieniać piasek w bryłki szkła. Powietrze wzdłuż drogi przebiegu pioruna ulega również silnemu ogrzaniu i rozszerza się tak gwałtownie, że wytwarza drgania, które słyszymy jako grzmot. Przy bliskim uderzeniu pioruna jest to huk podobny do wybuchu, zaś przy odległym wyładowaniu rozlega się przeciągły łaskot, gdyż fale dźwiękowe załamują się w atmosferze oraz odbijają od nierówności terenu.

Światło biegnie szybciej niż dźwięk, można więc określić, jak daleko od nas uderzył piorun. Licząc sekundy upływające od błysku do grzmotu i dzieląc ich liczbę przez 3,otrzymujemy odległość w kilometrach dzielącą nas od tego miejsca.

Wraz ze wzrostem temperatury ciała, rośnie również jego objętość. W piorunie dzieje się to po prostu błyskawicznie, a różnica temperatur jest ogromna. Nic więc dziwnego, że powietrze gwałtownie zwiększa swoją objętość i w celu wyrównania ciśnień rozszerza się na wszystkie strony z ponaddźwiękową prędkości, z siłą dziesięć razy większą niż ciśnienie atmosferyczne. Przekroczenie wspomnianej prędkości powoduje powstanie fali uderzeniowej, którą słyszymy jako głośny huk, trzask, albo dudnienie.

5. Piorun kulisty

Ciągle budzącym grozę zjawiskiem, nadal nie w pełni wyjaśnionym, pozostaje piorun kulisty. Ma on postać świecącej kuli o wielkości piłki tenisowej, a nawet futbolowej. Świeci jasnym światłem (czerwonym, żółtym, pomarańczowym), porusza się z prędkości około 2 m/s, na ogół przy ziemi, i reagując na ruch powietrza, zmienia kierunek lotu. Czasami przedostaje się do mieszkań przez otwarte okna i drzwi, a bywa, że i przez przewody kominowe. Przy zetknięciu z jakimś przedmiotem może wybuchnąć, jest więc niebezpieczny dla zdrowia i życia ludzi. Nie został również poznany mechanizm powstawania pioruna paciorkowego (zwanego też łańcuchowym), który jest łańcuszkiem złożonym z oddzielnych punktów świetlnych.

Ciekawą cechą piorunów kulistych jest ich kształt. Sama nazwa wskazuje, że są one kształtu zbliżonego do kuli, ale nie jest to do końca prawda. Owszem są i kulki, ale bardzo często występują pręty, owale, elipsy, dyski, krople oraz inne chaotyczne bryły o zaokrąglonych krawędziach. Prawie połowa obserwowanych piorunów kulistych posiada ogon, jedna piąta wydziela iskry, a z 6% piorunów kulistych wydostają się ogniste języki, mogą także wirować. Kule mogą być otoczone aureolką, dymem, płomieniem lub wyrzucać z siebie strzały. Ich powierzchnia może być różna - rozmyta i poszarpana, bez wyraźnej granicy lub gładka i ostra o wyraźnych kształtach.

Piorun kulisty może spowodować szkody materialne na dwa sposoby: podczas trwania zjawiska w czasie i podczas jego wybuchu. Gdy się porusza może np. stopić kawałek metalu (przewód elektryczny, antena telewizyjna lub kadłub samolotu), zerwać kawał asfaltu, wypalić kilka otworów w ścianie stojącej mu na drodze - to są szkody materialne. Zdarzają się niestety tragiczne przypadki, kiedy to piorun kulisty zabija człowieka. Z wybuchem pioruna kulistego jest jak z petardą. Gdy petarda wybuchnie na otwartej dłoni nie ponosimy z reguły żadnych szkód, ale jeśli tylko zaciśniemy dłoń - to koniec. Podczas wybuchu na świeżym powietrzu z reguły nie czyni nikomu szkody (chyba, że popękane bębenki w uszach), ale kiedy eksploduje w zamkniętym pomieszczeniu, może spowodować pewne uszkodzenia (zniszczenie domku letniskowego, rozwalenie budki transformatorowej).

Jak się zachować, jeśli zobaczysz ognistą kulę? Przede wszystkim należy zachować spokój, bo strach w niczym tu nie pomoże. Należy starać się nie panikować nawet, gdy robi się gorąco. Jeśli piorun kulisty zbliża się do ciebie nie uciekaj, ale nie daj mu się zbliżyć do powierzchni twojego ciała - w razie konieczności usuń się powoli z jego drogi. Jeśli zauważysz, że nie zejdziesz mu z drogi postaraj się czymś przed nim zasłonić, najlepiej izolatorem elektrycznym np. gazetą. Jeśli się od niej odbiję, to dobrze, jeśli przylgnie powoli połóż go na ziemi i oddal się. Nie należy wykonywać gwałtownych ruchów, które mogłyby spowodować zawirowania powietrza, nie można w niego niczym rzucać (grozi to wybuchem), łapać go, ani w niego dmuchać (porusza się pod wiatr). Każde gwałtowne naruszenie jego struktury, np. uderzenie nogą, ręką czy kijem może spowodować efekt wybuchu (coś jak granat) i twoją śmierć. Trochę wyobraźni i spokój nie tylko w tym przypadku może uratować ci życie.

6. Piorun a człowiek

Człowiek odczuwa przemożny strach przed zabójczą siłą pioruna. Znane są liczne przypadki zabicia lub rzadziej porażenia ludzi przez biegnący z chmury ładunek elektryczny. Obawę zwiększa świadomość wysokości napięcia elektrycznego błyskawicy, wyrażającej się w setkach tysięcy czy milionach woltów. Tymczasem nawet bardzo wysokie napięcie jest zupełnie niegroźne przy małym natężeniu-to natężenie, bowiem decyduje o stopniu porażenia. Niestety, bardzo często ma ono moc zabójczą; zmierzono pioruny, których ładunek elektryczny dochodził do 500 tysięcy amperów, podczas gdy 75-watowa żarówka pobiera prąd o natężeniu 1/3 ampera. Moc pioruna jest olbrzymia i wynosi setki tysięcy megawatów. Gdyby człowiek mógł wykorzystać choćby niewielką jej część, rozwiązałoby to w dużym stopniu problemy z niedoborem energii. Jednakże próby okiełznania piorunów nie wyszły na razie poza fazę eksperymentów.

7. Jak zachowywać się w czasie burzy?

- W miarę możliwości pozostawać w domu, nie wychodzić na zewnątrz,
- Należy pozbyć się wszelkich metalowych przedmiotów, odejść jak najdalej od metalowych urządzeń, gdyż te przyciągają wyładowania elektryczne,
- Nie przenosić łatwopalnych materiałów w otwartych pojemnikach,
- Jeżeli jesteś w podróży samochodem, pozostań w nim, gdyż samochody są jednymi z bezpieczniejszych miejsc, w których można schronić się przed burzą,
- Kiedy burza zastanie cię na otwartej przestrzeni, ukucnij, ale nie siadaj na ziemi, a tym bardziej nie kładź się na niej,
- Jeśli nie ma w pobliżu schronienia należy unikać wysokich obiektów w okolicy,
- Nie pozostawaj w wodzie, odejdź od wszelkich zbiorników wodnych, gdyż woda jest doskonałym przewodnikiem elektryczności,
- Nie chowaj się pod drzewami, gdyż niektóre z nich są dobrymi przewodnikami,
- Unikaj pracy z urządzeniami elektrycznymi podczas burzy, ponieważ mogą one ulec uszkodzeniu,
- Kiedy czujesz ładunki elektryczne w powietrzu, gdy włosy stają ci dęba, przykucnij szybko na ziemę, ponieważ błyskawica może cię trafić.
- Osoby, które przebywają w większej grupie, powinny się rozproszyć,
- Nie korzystaj w czasie burzy z telefonu,
- Unikaj kontaktu z otwartymi oknami, piecami, kominkami, wentylatorami,
- Postaraj się schronić w obniżeniach terenu (dolina, wąwóz), w budynku czy chociażby jaskini.