Ocena brak

Burza - wyładowania atmosferyczne

Autor /Aron Dodano /23.09.2011

W upalne i wilgotne dni lata silne prądy unoszące ciepłe powietrze w górne rejony atmosfery tworzą chmury kłębiaste deszczowe - cumulonimbusy. 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 niespełnione marzenie człowieka.

Ogromny, rozbudowany w pionie cumulonimbus jest pełen silnych prądów powietrza. W miarę wzrostu chmury zwiększa się różnica temperatur między ciepłą podstawą i zimnem w górnych warstwach, powodująca opady deszczu lub gradu. Zimne powietrze tworzy chłodny prąd zstępujący ku podstawie chmury, który zaznacza się porywistym wiatrem poprzedzającym na ogół nadejście burzy. Pojawiają się wyładowania atmosferyczne. Rozpoczyna się wielki spektakl przyrody. Krople chmur zawierają ładunki elektryczne. W chmurach kłębiastych deszczowych, w których tworzą się szczególnie pokaźne krople wody i sporych rozmiarów kryształki, siła tych ładunków jest wyjątkowo duża. Powstają one na skutek ocierania, zderzania i rozpadania kropel i kryształków. Prądy wznoszące przenoszą słupki lodowe naładowane dodatnio ku wierzchołkowi chmury, a prądy zstępujące i opady transportują ładunki ujemne ku jej podstawie. Przyczyny takiego rozłożenia ładunków elektrycznych w chmurach, to znaczy ześrodkowania elektryczności o tym samym znaku w jednej części chmury, co powoduje powstawanie olbrzymich napięć pola elektrycznego atmosfery w chmurach oraz między chmurami a ziemią, ciągle nie są całkiem jasne.

Rozmieszczenie ładunków w chmurze przyczynia się do powstania różnicy napięć między odmiennie naładowanymi jej częściami. Ziemia reaguje na ujemny ładunek dolnej części chmury zepchnięciem elektronów z powierzchni gruntu i pozostawieniem przy powierzchni naładowanego dodatnio obszaru znajdującego się bezpośrednio pod cumulonimbusem. Ponieważ powietrze jest bardzo słabym przewodnikiem elektryczności, wyrównanie potencjałów odbywa się nie poprzez długotrwały przepływ ładunków, ale w postaci potężnej iskry zwanej błyskawicą lub piorunem (wtedy, gdy ładunek biegnie z chmury do ziemi). Takie wyładowania elektryczne powtarzają się wielokrotnie. Towarzyszą im ogłuszające dźwięki - grzmoty. Całe zjawisko z krótkotrwałym wzmocnieniem siły wiatru nazywa się burzą.

Błyskawica jest bardzo złożonym procesem elektrycznym. Najpierw w kierunku ziemi biegnie strumień elektronów, który wytwarza wąski kanał o szerokości kilku centymetrów, niewidzialny dla ludzkiego oka. Jest to wstępne wyładowanie nazywane liderem, gdyż jak gdyby przeciera szlak, zwiększając przewodność powietrza. Gdy dotknie gruntu, w kierunku chmury przebiega wyładowanie dodatnie powrotne. Zaraz po liderze wytyczonym przez niego kanałem dociera do ziemi główne wyładowanie dostrzegane jako błyskawica. Jest ona serią niewyobrażalnie szybkich, trwających setne części sekundy, świetlnych promieni. Dzieje się tak do momentu, gdy ładunki w chmurze zostaną zneutralizowane przez wyładowania powrotne, to znaczy do wyrównania różnicy potencjałów.

Grzmot, który towarzyszy wyładowaniu, jest spowodowany wydzieleniem przez błyskawicę ciepła o temperaturze prawie 25 tysięcy stopni Celsjusza (dla porównania temperatura na powierzchni Słońca wynosi 5800 stopni Celsjusza) i w efekcie gwałtownym podgrzaniem powietrza do bardzo wysokiej temperatury. Jej błyskawiczny wzrost rozszerza powietrze w kanale iskry z prędkością ponaddźwiękową i siłą znacznie większą niż ciśnienie atmosferyczne. Następuje wówczas eksplozja całego kanału iskry piorunowej. Powstaje fala uderzeniowa, czyli grzmot, huk słyszalny z odległości kilkunastu kilometrów. Potęgę grzmotu zwiększa jeszcze jego długotrwałość, słychać go bowiem nieraz przez kilka sekund. To w dużej mierze efekt odbijania się fal dźwiękowych od różnych przedmiotów, również od powierzchni ziemi i od chmur.

Ogromna prędkość światła powoduje, że błyskawice są widzialne zawsze przed grzmotem, który rozchodzi się w atmosferze ze znacznie mniejszą prędkością dźwięku. Trzysekundowa przerwa oznacza, że burza jest oddalona o kilometr.

Wyładowania elektryczne mogą powstawać również wewnątrz chmury, między dodatnio naładowanymi warstwami znajdującymi się na górze i ujemnie naładowaną podstawą, lub między kilkoma chmurami burzowymi.

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 Voltów. 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 (którą obliczamy mnożąc napięcie przez natężenie) 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.

Najczęściej występują i najlepiej zostały poznane pioruny liniowe, mające postać rozgałęzionych linii o długości od kilku do kilkudziesięciu kilometrów. Piorun szuka zawsze najkrótszej drogi prowadzącej z chmury do ziemi. Mimo to nie przebywa jej w linii prostej, lecz wężowatej, nieraz znaczenie dłuższej od najkrótszego możliwego odcinka. Dzieje się tak dlatego, że powietrze, które bardzo słabo przewodzi elektryczność, nie jest substancją ściśle jednorodną. Istnieją w nim miejsca lepiej i gorzej przewodzące prąd elektryczny, a piorun starając się biec po linii najmniejszego oporu, wybiera drogę wzdłuż linii najlepszego przewodnictwa elektrycznego. Lepszym przewodnikiem jest wilgotne powietrze, dlatego, gdy podczas burzy pada deszcz, pioruny mają tendencję przebiegania w miejscach najobfitszych opadów. Również ciepłe i zanieczyszczone (np. przez pył i sadzę) powietrze nieźle przewodzi elektryczność, pioruny więc chętnie uderzają w kominy fabryczne, tym bardziej, że są one wysokie.

Wysokość przedmiotów ma w czasie burzy znaczenie bardzo istotne, co również wynika z szukania przez piorun najkrótszej drogi do ziemi. Wysoki wieżowiec lub drzewo skraca ją. Dzieje się tak jednak tylko wtedy, gdy ziemia pod nimi dobrze przewodzi prąd elektryczny. Dlatego czasami piorun trafia nie w strzeliste drzewo, ale w stojącą obok chatę, gdy grunt na którym ona stoi, jest lepszym przewodnikiem elektryczności.

Człowiek, pozostając w czasie burzy na otwartym polu, naraża się na poważne niebezpieczeństwo. Mniejsze zagrożenie dla życia stanowi natomiast schronienie się przed piorunami w gęstym i wysokim lesie. Nie należy stawać pod samotnym drzewem, ponieważ ryzyko jest potrójne. Po pierwsze piorun idący po pniu lub prze pień może przeskoczyć na człowieka. Po drugie prąd po dojściu do ziemi wytwarza na jej powierzchni miejsca o różnych potencjałach energii. Może się zdarzyć, że każda noga stoi na gruncie o różnym napięciu elektrycznym. Wtedy iskra, by wyrównać potencjały, przebiega przez ciało człowieka, zatrzymuje akcję serca i powoduje śmierć. Po trzecie można również zostać trafionym przez odłamek pnia rozsadzonego przy przepływie prądu pioruna. Również kąpiel podczas burzy w otwartych zbiornikach wodnych grozi niebezpieczeństwem, gdyż pioruny często trafiają w wodę, która jest bardzo dobrym przewodnikiem.

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 prędkością 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, ze 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.

W każdej sekundzie trwa na świecie około 2000 burz. Szczególnie częste są one między zwrotnikami. Do najbardziej burzowych rejonów Ziemi należy wyspa Jawa, gdzie burze występują przeciętnie przez 222 dni w roku. Częste są burze w Ameryce Środkowej oraz u ujścia największej rzeki świata - Amazonki. W szerokościach umiarkowanych dni z burzami jest znacznie mniej, około 10-30 w roku.

Podobne prace

Do góry