Elektryczna Struktura Chmur Burzowych

Atmosfera ziemska pod wpływem jonizacji wykazuje przewodność elektryczną. Zachodzi w niej ciągłe krążenie ładunków. Prąd elektryczny przepływa między jonosferą a powierzchnią Ziemi, która przejmuje część ładunków elektrycznych, redukując pole elektryczne jonosfery.Wynikłe stąd straty chmury burzowe, które stanowią ośrodki tworzenia się elektryczności atmosferycznej. Duże krople deszczu, gradziny, kryształki i bryłki lodowe, przemieszczając się w chmurze, zderzają się, a rozpadając i obłamując wytwarzają ładunki elektryczne. Prądy wznoszące przenoszą słupki lodowe naładowane dodatnio ku wierzchołkowi chmury i tam je pozostawiają, prądy zstępujące oraz opad gradzin lub topniejących bryłek lodu transportują ładunki ujemne w kierunku podstawy chmury.
Powietrze przy powierzchni Ziemi ma zazwyczaj dodatnie ładunki przestrzenne. Unoszą się one w wyniku wstępujących ruchów powietrza, docierają do chmury i tam umiejscawiają się zależnie od struktury pola elektrostatycznego. Co do przestrzennego rozmieszczania ładunków elektrycznych w chmurze to górna jej część, znajdująca się na obszarze ujemnych temperatur, zawiera kryształki lodu z ładunkiem elektrycznym dodatnim. W środkowych i niższych partiach naładowana jest ujemnie głównie za sprawą opadających względnie dużych kryształków lodowych. W pobliżu podstawy przeważają dodatnio naelektryzowane ładunki elektryczne.
Sortowanie ładunków w chmurze burzowej prowadzi do różnicy napięć między odmiennie naładowanymi jej częściami. Gdy wytworzy się potencjał elektryczny rzędu miliona woltów na metr, wówczas rozpoczyna się proces powstawania błyskawicy. Od chmury w kierunku powierzchni Ziemi przemieszcza się strumień elektronów, który jonizuje wąski kanał powietrza i tworzy w nim lawinowo dodatnie i ujemne ładunki. Kanał szerokości kilku centymetrów staje się przewodnikiem elektrycznym i za jego pośrednictwem elektryczność chmury osiąga Ziemię z prędkością 100 km/s. Jest to wstępne wyładowanie, zwane liderem. Gdy dotrze ono do powierzchni terenu, z dołu tym samym kanałem zaczyna biec ku górze wyładowanie z tak zwanymi dodatnimi ładunkami powrotnymi. Gdy lider dochodzi do powierzchni Ziemi, tą samą drogą przebiega wyładowanie główne, które obserwuje się jako błyskawicę. Po pierwszym wyładowaniu w ciągu ułamka sekundy tym samym zjonizowanym kanałem następują kolejne, aż ładunki w chmurze zostaną zupełnie zneutralizowane przez wyładowania powrotne.
Przeciętne natężenie prądu płynącego w błyskawicy wynosi około 20 000A.
Przepływ prądu przez powietrze w czasie wyładowania powoduje wydzielenie dużej ilości ciepła. Temp w kanale sięga 30 000C - jest pięciokrotnie wyższa od temperatury powierzchni Słońca. Szybkie i nagłe ogrzanie powietrza w kanale powoduje jego gwałtowne rozszerzenie z prędkością ponaddźwiękową i z siłą 10 - 100 razy większą niż ciśnienie atmosferyczne. Powstaje fala uderzeniowa słyszana jako trzaski, dudnienia i tym podobne, określane wspólną nazwą grzmotu. Grzmot może być wywołany nie tylko nagłym rozszerzeniem i kurczeniem powietrza w kanale. W warunkach jego gwałtownego nagrzania para wodna rozpada się na tlen i wodór, tworząc mieszankę, która wybucha pod wpływem iskry elektrycznej.
Grzmot rozchodzi się w powietrzu z prędkością dźwięku, czyli 332m/s-1. Światło błyskawicy osiąga prędkość 300 000 km/s-1 i wyprzedza grzmot. Wystarczy policzyć czas od błyskawicy do grzmotu, aby ustalić odległość do chmury burzowej. Grzmot słyszany po upływie na przykład 6 s oznacza, że burza znajduje się w odległości około 2 km . W przeciętnych warunkach atmosferycznych słychać go nawet z odległości około 25 km .
Wyładowania elektryczne mogą zachodzić także między poszczególnymi fragmentami jednej chmury lub między kilkoma chmurami burzowymi. Te, które zachodzą między chmurą i powierzchnią Ziemi, noszą nazwę piorunów. Według powszechnej opinii piorun stanowi wielkie zagrożenie dla życia ze względu na napięcie prądu elektrycznego wynoszące setki tysięcy, a nawet miliony wolt. Okazuje się jednak, że czynnik decydujący to natężenie. Prąd o wysokim nawet napięciu - wielu milionów wolt - jest zupełnie nieszkodliwy dla człowieka, jeśli tylko będzie mieć bardzo małe natężenie. W czasie badań nad piorunami zetknięto się już z natężeniem prądu dochodzącym do 500 000 A, dla porównania żarówka 75-watowa pobiera prąd o natężeniu 1/3 A. Moc pioruna sięga setek tysięcy megawatów (oblicza się ją, mnożąc przez siebie napięcie i natężenie prądu piorunu). Niestety, nie można jej wykorzystać w szerszym zakresie. Czyni się próby zutylizowania mocy piorunów. W Szwajcarii rozpięto między dwoma szczytami górskimi w rejonie Monte Generoso przewód metalowy izolowany na obu końcach długimi łańcuchami izolatorów elektrycznych. Nawet w czasie słonecznej pogody elektryczność atmosferyczna ładuje go do napięcia setek tysięcy wolt. W czasie burzy z łatwością uzyskuje się napięcie kilkunastu milionów wolt, które wykorzystuje się w fizyce jądrowej do przyspieszania elementarnych cząstek materii, a także do różnych doświadczeń elektrycznych.
W momencie uderzenia piorunu w wysokie drzewo temperatura błyskawicy powoduje nagłe wrzenie soków drzewa i gromadząca się para wodna rozsadza z hukiem pień.
Piorun uderza nie tylko w wysokie budynki, maszty, drzewa. Błyskawica przebiega najkrótszą i, co równie ważne, najlepiej prowadzącą elektryczność drogą do powierzchni gruntu. Częściej razi glebę gliniastą niż piaszczystą. Jeśli piasek przykrywa glinę, należy się spodziewać piorunu raczej w miejscu, w którym warstwa piasku jest najcieńsza, chociaż może znajdować się ono w zagłębieniu terenu.
Rodzaje błyskawic. Wyładowania atmosferyczne mogą przybierać różne formy. Ze względu na kształt wyróżnia się błyskawice: płaskie, liniowe, wstęgowe oraz kuliste.
Błyskawica płaska. Jej błysk sprawia, że płonie cała powierzchnia chmury. Wyładowanie zachodzi w postaci bardzo szybko następującego po sobie iskrzenia. Tworzy się, gdy w chmurze został osiągnięty potencjał umożliwiający wyładowanie, a nowe ładunki elektryczne dopływają bardzo powoli. Zapas elektryczności wystarcza do wyładowania, choć jest mniejszy niż przy błyskawicy liniowej. Burze z błyskawicami płaskimi nie należą do silnych, a w umiarkowanych szerokościach geograficznych odnotowuje się je wczesną wiosną i późną jesienią.
Błyskawica liniowa. Iskra atmosferyczna występuje w postaci sfalowanej linii z licznymi nieraz odgałęzieniami. Główne wyładowanie uderza w powierzchnię lądową lub w wodę. Trafiając w zabudowania, prawie zawsze wznieca pożar. Rzadką odmianą błyskawicy liniowej jest błyskawica perełkowa. Biegnie zwykle drogą, wzdłuż której przemieszczało się wcześniej wyładowanie liniowe. Składa się z oddzielnych świecących punktów, pojawiających się w niewielkich odstępach. Wyładowania przypominają sznur pereł sięgający podłoża. Można to wyjaśnić przesunięciami kanału piorunu.
Błyskawica wstęgowa. Składa się z błysków biegnących równolegle. Właściwe wyładowanie przebiega po środku słabszych iskier. Może wzniecić kilka pożarów naraz.
Błyskawica kulista. Jest to prawdziwy fenomen wśród wyładowań. Tworzy ją świecąca kula o rozmiarach od piłki tenisowej do piłki futbolowej. Daje jasne światło koloru czerwonego, pomarańczowego, żółtego lub białego, a nawet zielonego. Porusza się w bardzo dziwny sposób. Przy gruncie i w pobliżu pomieszczeń zamkniętych przemieszcza się względnie wolno - z prędkością około 2 m/s. Nagle i przypadkowo zmienia kierunki, zdarza się, że na krótki czas nieruchomieje. Często przedostaje się do mieszkań przez otwarte okna i drzwi. Bywa, że wchodzi przewodem kominowym i tą samą drogą opuszcza pomieszczenie, nie wyrządzając większych szkód.