Wyładowania atmosferyczne



plik gif animowany

Pełne grozy wyładowania elektryczne wywołują w ludziach strach i napawają trwogą. Moc prądu w przeciętnej błyskawicy waha się od 1.000 do 2.000 kWh, a powietrze, w którym płynie, osiąga temperaturę 30.000o C, czyli pięć razy wyższą niż występująca na Słońcu! Wbrew pozorom błyskawice nie są zjawiskiem momentalnym, gdyż to, co widzimy, jako jeden błysk składa się z całej serii wyładowań, które dążą do powierzchni Ziemi tą samą drogą. Wydawałoby się, że nie da się przeżyć uderzenia pioruna, a jednak z reguły przeżywa je 70-80% porażonych osób. Mimo to w Stanach Zjednoczonych, co roku ginie z tego powodu około sto osób. Wśród nieszczęśników 1 chowała się podczas burzy pod drzewem.


Błyskawica na ogół trwa ok. 1,5 sekundy. Może osiągać do 20 km długości, jej kanał może osiągać średnicę do 20 cm, a temperaturę pięciokrotnie wyższą niż ma powierzchnia Słońca. Nagrzane do takiej temperatury powietrze rozpręża się gwałtownie, a na zewnątrz kanału spręża wytwarzając grzmot. Każdego dnia, co 1 sek. w ziemię uderza do 100 piorunów. Każdy z nich może być wywołany różnicą potencjałów równą 100 mln V. W każdej chwili na ziemi szaleje 44 tys. burz, między którymi istnieją związki powodujące, że jeśli jedna burza cichnie to druga rodzi się w odległości 1500 km. Ładunek elektryczny rodzący się w chmurach powstaje w wyniku rozbijania się o siebie kryształków lodu. W wyniku tego na powierzchni ziemi indukuje się ładunek o przeciwnym znaku.

Piorun - wyładowanie elektryczne w atmosferze ziemskiej zachodzące wewnątrz chmury burzowej, między chmurami lub między chmurą a powierzchnią ziemi. Do najczęściej występujących i najlepiej znanych należą wyładowania liniowe w postaci rozgałęzionej iskry o długości od kilku do kilkudziesięciu km. Wyładowanie jest widoczne w postaci błyskawicy spowodowanej wypromieniowaniem energii przez wzbudzone podczas wyładowania atomy, której towarzyszy przedłużony huk-grzmot, powstający przy rozprężaniu nagrzanych mas powietrza w otoczeniu kanału wyładowania; piorun liniowy sięgający ziemi stanowi zagrożenie dla ludzi i budynków oraz urządzeń naziemnych; jako ochronę przed uderzeniem pioruna stosuje się piorunochrony. Rzadko występują: piorun kulisty (jaskrawo świecąca kula zjonizowanego gazu o średnicy kilkudziesięciu cm) piorun paciorkowaty, zw. też łańcuchowym (łańcuszek złożony z oddzielnych punktów świetlnych), których mechanizm nie jest dokładnie znany. Na podstawie Encyklopedii PWN

Mechanizm powstawania piorunów

faza pierwszaW pierwszej fazie następuje gromadzenie się ładunków w dolnej części chmury na skutek zderzeń kryształków lodu znajdujących się wewnątrz chmury. Napięcie zapłonu jest rzędu 1000000 V. Taki potencjał chmura wytwarza w ciągu pół godziny dzięki silnym, wstępującym i zstępującym prądom powietrza. W chmurze burzowej występują duże krople deszczu, bryłki gradu i lodu. Wędrują one, zderzają się, a rozpadając się na mniejsze wytwarzają ładunki elektryczne. Cząstki spadające zyskują ładunek ujemny, zaś unoszące się - ładunek dodatni. W związku z tym ładunki ujemne gromadzą się w dolnej części chmury, z kolei dodatnie - w górnej. faza drugaZgodnie z regułami fizyki, w polu elektrycznym ujemne elektrony zaczynają się przesuwać się w kierunku źródła ładunków dodatnich, zaś dodatnio naładowane jądra wolą np. elektrodę, ziemię lub część chmury naładowaną ujemnie. Elektrony zaczynają poruszać się w kierunku ziemi tworząc tzw. wyładowanie pilotujące (to wyładowanie porusza się małymi odcinkami rzędy 30 metrów). Jeżeli jest wystarczająco duże natężenie pola elektrycznego (ponad 100V/cm) to nastąpi rozwój wyładowania liderowego. Po przebyciu kilkudziesięciu metrów wyładowanie zatrzymuje się na milionową część sekundy, pokonuje kolejne kilkadziesiąt metrów, zatrzymuje się, następuje następny skok, zatrzymanie się, skok itd. Strumień ten jonizuje powietrze przed sobą, aby zmniejszyć opór elektryczny powietrza. Początek pilota porusza się z prędkością 10000-100000 km/s (średnio 30000km/s) i nie dosięga zwykle ziemi. Następnie po tym samym kanale, co wyładowanie pilotujące, od chmury wybiega następne wyładowanie określane jako wstępne. Porusza się ono tym samym przerywanym ruchem, ale teraz z prędkością 10 000 km/s. Tym razem świecenie kanału jest intensywniejsze. Faza trzeciaTeraz wyjątkowo jasne wyładowanie zaczyna biec w górę tym samym kanałem i przenosi ono do chmury prądy dodatnie zwane powrotnymi. Teraz 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. Wyładowanie zanika - tak jak wyładowanie wstępne, które się powtarza aż do momentu, gdy dotrze w pobliże powierzchni ziemi (około 50 metrów nad powierzchnią ziemi). faza czwartaWtedy z powierzchni ziemi wybiega krótka iskra kilkunastometrowa iskra, która dosięga iskrę wstępną. faza ostatniaGdy się połączą, powstaje pomost przewodzący prąd i powietrze rozdziera błysk pioruna przelatującego z prędkością 100 000 km/h. Wtedy następuje przepływ prądu elektrycznego w kanale wyładowania głównego od ziemi do chmury. Natężenie płynącego prądu może sięgać dziesiątek tysięcy amperów.

Błyskawica może także przebiec wewnątrz chmury, a nawet pomiędzy różnymi chmurami. Wyładowanie nie dociera wtedy do ziemi i jest określane mianem płaskiej błyskawicy. Co doskonale widać na obrazkach załączonych niżej.

Wyładowanie pomiędzy chmurami Wyładowanie pomiędzy chmurami Wyładowanie pomiędzy chmurami

Piorun kulisty
Oprócz piorunów liniowych widzianych w postaci błyskawicy istnieją pioruny kuliste, których powstawanie i trwanie dotąd owiane jest tajemnicą. Złożone z plazmy ogniste kule potrafią przenikać przez ściany, palić, uderzać i wybuchać jak granat lub duża porcja dynamitu. Ta ognista kula pojawia się bez żadnego wyraźnego powodu i często wędruje powoli dookoła pokoju lub nawet przechodzi przez szybę okienną - albo z chirurgiczną precyzją wypalając w niej otwór, albo pozostawiając ją niekiedy nietkniętą. Istnieje wiele przekazów, świadków, którzy obserwowali pioruny kuliste, wiele faktów potwierdzanych jest przez różne osoby, a jednak są jeszcze naukowcy, którzy odrzucają możliwość istnienia piorunów kulistych i uważają je za złudzenia optyczne. Trudno uwierzyć w realność tego zjawiska. Piorun kulisty o swej wizycie niestety nie uprzedza. Czasami można go spotkać w czasie burzy, a czasami pada tylko zwykły deszcz, czasami wewnątrz budynków, czasami nad brzegami rzeki, jednak w każdym wypadku jego pojawienie się jest nieoczekiwane.

Piorun kulisty piorun kulisty piorun kulisty

Przez wiele lat badaniami piorunów kulistych zajmowali się tylko amatorzy. Wiadomo było, iż wysyła on fale elektromagnetyczne, może porazić prądem elektrycznym, może zniknąć w uziemionych przewodach elektrycznych. Nie znano jednak jego właściwości - barwy, wymiarów, czasu istnienia. Dziś wydaje się jedna słuszna hipoteza odnośnie budowy pioruna kulistego - jest to dość trwała plazma, która powstaje z powodów, których jeszcze, niestety, naukowcy nie znają.
Skoro jest to plazma, a czas jej życia sięga kilku minut, to czyż nie jest to droga do najtańszego powszechnego źródła energii - zwrócili na ten fakt uwagę fizycy zajmujący się wyładowaniami gazowymi z Akademii Nauk w Moskwie. Na razie są to tylko dywagacje, domysły i przypuszczenia. Ale w urządzeniach doświadczalnych, nawet najnowocześniejszych, można utrzymać plazmę najwyżej tysiączne ułamki sekundy. Być może wyjaśnienie natury pioruna kulistego przyczyni się do rozwiązania tego ważnego problemu technicznego. Próbuje się otrzymać sztucznie w laboratoriach piorun kulisty. Czasem się to udaje, lecz niestety przypadkowo.
Jeśli uda się odkryć prawa rządzące powstawaniem i zachowaniem się pioruna kulistego, to wówczas zostanie on ujarzmiony. Zapewne to nastąpi. Ale na razie największe prawdopodobieństwo spotkania się z czerwoną kulą istnieje podczas burzy.




opracował: Wawrzyniec Stawowy, dn. 12.05.2002r.
źródła: artykuł Krystyny Forowicz,
artykuł Roberta Czyżewskiego i Adama M. Grzymały w MT,
encyklopedia powszechna PWN,
zjawiska by Krzysztof Ostrowski ((www.zjawiska.iq.pl)