Czym jest burza?

Wszyscy dokładnie wiedzą, kiedy mamy do czynienia z burzą. Wówczas pada ulewny deszcz, wieje silny wiatr i uderzają pioruny. Faktycznie to ostatnie zjawisko niejako definiuje burzę. Pioruny to wyładowania atmosferyczne, które objawiają się w postaci krótkiego błysku i bardzo głośnego grzmotu. Pioruny mogą powstawać pomiędzy chmurami, jak i pomiędzy chmurą a ziemią. Zjawisko wyładowań atmosferycznych jest dobrze opisane teoretycznie. Teoria ta mówi, że w wyniku indukcji elektrostatycznej, która prowadzi do rozdzielenia się ładunków dodatnich i ujemnych, chmura gromadzi ładunek ujemny, a natomiast ziemia znajdująca się pod nią ładunek dodatni. Sytuacja ta jest zupełnie analogiczna do sytuacji z kondenstaorem, (kondensator to element obwodu elektrycznego, który zbudowany jest z dwóch przewodzących okładek i najczęściej dielektryka znajdującego się pomiędzy nimi) którego okładki w podobny sposób się ładują, a dielektryk pomiędzy tymi okładkami stanowi powietrze. Jeśli przyłoży się napięcie stałe do takiego kondensatora to na jednej z okładek zgromadzi się ładunek o dodatniej wartości, a na drugiej taka sama ilość ładunku, ale ujemnego. W wyniku takiego rozdzielenia ładunku pomiędzy okładkami powstanie pole elektryczne. Kondensator ma możliwość gromadzenia energii elektrycznej, którą z kolei można wykorzystywać w postaci krótkotrwałych impulsów prądu, jakie powstają w czasie rozładowywania się kondensatora (na takiej zasadzie działają lampy błyskowe, czy generatory elektryczne wielkiej częstotliwości). Naładowany kondensator nie pozwala na dalszy przepływ prądu stałego, ale natomiast pozwala na przepływ prądu zmiennego. Kondensatory są głównie wykorzystywane w układach filtrujących i prostowniczych, układach całkujących i we wszystkich obwodach drgających (np. przy wytwarzaniu fal elektromagnetycznych - fal radiowych). Ale wracając do chmur i gruntu, to kiedy w wyniku dużej ilości ładunku w chmurze i w gruncie, powstała różnica potencjałów będzie tak duża że przekroczy wartość krytyczną, to wówczas następuje tzw. przebicie, czego efektem jest wyładowanie elektryczne. Wyładowanie to obserwujemy jako krótkotrwałą błyskawicę, której towarzyszy silny grzmot. Oczywiście takie przebicie może zajść w kondensatorach, wtedy bardzo często powoduje ono ich uszkodzenie.

Powstawanie burzy

To wiemy już jak wygląda burza i w wyniku jakich procesów powstają błyskawice. Zastanówmy się więc teraz, w wyniku jakich procesów powstaje sama burza. Otóż powietrze, które znajduje się w atmosferze, na dużych wysokościach posiada znacznie niższą temperaturę niż to powietrze które znajduje się tuż przy powierzchni Ziemi. Z kolei ciepłe powietrze które znajduje się przy gruncie jest lżejsze i unosi się do góry. W czasie takiego wznoszenia, powietrze to rozpręża się, przez co także się ochładza (Efekt rozprężania i schładzania się gazu można łatwo zaobserwować na przykładzie dwutlenku węgla. Jeśli mamy pojemnik ze sprężonym dwutlenkiem węgla, np. nabój do syfonu, to gdy go przebijemy, wydobywający się gaz bardzo szybko się rozpręża i jego temperatura schodzi nawet do -80OC. Wówczas gaz ten zamienia się w tzw. suchy lód i cały pojemnik pokrywa się szronem). Jako że to schłodzone powietrze posiada niższą temperaturę od otoczenia to jest również cięższe od niego i z powrotem opada w dół. Proces ten inaczej natomiast wygląda, gdy powietrze to posiada także w sobie parę wodną. Gdy następuje proces schładzania się, para wodna również podlega temu, przez co kondensuje, czyli skrapla się. W procesie kondensacji następuje wydzielenie się dużej ilości ciepła - takiej samej, jakiej trzeba było dostarczyć wodzie aby przeszła do stanu gazowego - stanu pary wodnej. W ten sposób uwalniane ciepło powoduje, że wilgotne powietrze wolniej się schładza, a przez co jest cały czas lżejsze od otoczenia. W wyniku istnienia takiego mechanizmu, w czasie burzy powietrze gwałtownie wznosi się do góry (prędkość takiego wznoszenia się jest porównywalna z prędkością pociągu pośpiesznego) czasami nawet do wysokości ok. 15 kilometrów. Na takich wysokościach temperatura atmosfery jest bardzo niska i może osiągać temperaturę ok. -60OC. Krople wody, które powstały w wyniku kondensacji pary wodnej zamieniają się w kryształki lodu, które następnie łączą się tworząc większe kryształy. Gdy powstałe kryształy lodu stają się zbyt ciężkie, aby być nadal unoszone przez masy powietrza, zaczynają spadać, ciągnąc ze sobą także zimne powietrze. W czasie spadania, w wyniku zjawiska tarcia, kryształki lodu zaczynają topnieć, przez co z chmury zaczyna padać deszcz. Ochłodzone powietrze które pociągnęły ze sobą kryształki lodu dociera do powierzchni Ziemi i zaczyna rozchodzić się na wszystkie strony, co obserwujemy jako silny zimny wiatr wiejący w czasie burzy. Jednak opadaniu kropel wody, czy też kryształków lody towarzyszy jeszcze jedno zjawisko. Jako, że Ziemia posiada ładunek ujemny, dolna część kropli, czy też kryształka lodu, w wyniku zjawiska indukcji elektrycznej ładuje się dodatnio.

Typy burz

W naszym kraju najpopularniejsze są burze z piorunami i ulewnym deszczem. Lecz to nie jedyny rodzaj burz, jakie obserwuje się na Ziemi. Istnieją jeszcze burze śnieżne, czy piaskowe. Bardziej ciekawe wydają się burze śnieżne. W Polsce występują one bardzo rzadko, jednak bardziej na północy (Wielka Brytania, Norwegia, Szwecja, Finlandia) ich udział we wszystkich burzach wynosi ok. 8%. Wydaje się, że ma to związek z występowaniem ciepłego Prądu Zatokowego, który niesie ze sobą ciepłe powietrze w te partie Europy, a to sprzyja powstawaniu burz. W czasie takich śnieżnych burz, oraz burz piaskowych także powstają wyładowania elektryczne, jednak charakteryzują się one dużo mniejszą mocą, niż w przypadku konwencjonalnych burz. Co ciekawe możliwe jest także powstanie burz w czasie wielkich pożarów lasów. Jednak tego rodzaju burze zdarzają się ekstremalnie rzadko, dzięki szybkiej reakcji strażaków i służb ratowniczych. Jednak w historii zdarzały się takie momenty, gdy powstawały burze z unoszących się oparów i dymów znad płonących lasów.

Pioruny

Pioruny są jednym z najbardziej spektakularnych zjawisk w przyrodzie, oraz najciekawszym i najbardziej zdumiewającym elementem burzy. Jak już powiedzieliśmy burze powstają w wyniku gwałtownego unoszenia się ciepłych mas wilgotnego powietrza, przez co zwykłe chmury kłębiaste (Cumulusy) zamieniają się w ciężkie, ciemne chmury burzowe. Chmury takie znajdują się na wysokości ok. 10 - 16 km, a ich długość może dochodzić do nawet 8 kilometrów. Wznoszeniu się ciepłego wilgotnego powietrza towarzyszą prądy opadających mas zimnego powietrza. Prowadzi to do powstawania licznych zawirowań. Zawirowania te porywają ze sobą krople wody, drobne kryształki lodu, a także te większe, które już mają postać gradu. Obiekty te zderzają się ze sobą bardzo często i wyniku oddziaływań elektrostatycznych wytwarzają się potężne ładunki elektryczne. Gdy ilość takiego ładunku przekroczy pewną krytyczną wartość następuje wyładowanie elektryczne.

Najlepiej poznane wyładowania atmosferyczne to wyładowania liniowe, które mają postać rozgałęzionych gigantycznych iskier, które przeskakują pomiędzy chmurami, a ziemią, lub też samymi chmurami. Długość takich iskier może dochodzić do nawet kilkudziesięciu kilometrów. Takie wyładowanie elektryczne widoczne jest w postaci błyskawicy, która jest niczym innym jak wypromieniowaną energią przez wzbudzone atomy. Błyskawicy takiej towarzyszy silny huk, tzw. grzmot który powstaje w wyniku nagłego rozprężenia się, nagrzanych w błyskawicznym tempie mas powietrza. Dużo bardziej rzadkim zjawiskiem jest piorun kulisty, oraz piorun paciorkowaty. Piorun kulisty ma postać kuli zjonizowanego gazu, której średnica może dochodzić do kilkudziesięciu cm, emitująca silne jaskrawe światło. Piorun paciorkowy, zwany także piorunem łańcuchowym lub perełkowym ma postać łańcuszka składającego się z wielu oddzielnych świetlnych punktów. Co ciekawe to do dnia dzisiejszego dokładnie nie wiadomo w jaki sposób powstają pioruny. Oczywiście jest ogólny zarys teorii, jednak nikomu nie udało się wyjaśnić wszystkich problemów związanych z tym tematem. Dla przykładu wiadomo że w dolnych warstwach chmury gromadzą się ładunku ujemne, a w części górnej i środkowej dodatnie, jednak dokładnie nie wiadomo co się dzieje w środkowej części dodatniego ładunku. Przypuszcza się, że znajdują się tam dodatnie jony atomów, które zostały porwane przez prąd wstępujący skierowany ku górze. Atomy te zostały zjonizowane w wyniku zderzeń z elektronami poruszającymi się z dużymi prędkościami z góry na dół.

W dolny warstwach chmury gromadzi się tak wielka ilość ładunku ujemnego, że różnica potencjałów jaka istnieje pomiędzy chmurą, a Ziemią, może czasami wynosić 20 - 30 mln V, a w wyjątkowych sytuacjach nawet 100 mln V. W przypadku pięknej pogody gdy niebo jest czyste, różnica potencjałów jaka wówczas występuje pomiędzy górną warstwą atmosfery (jonosferą) a powierzchnią Ziemi wynosi ok. 400 tys. V. Na każdy metr wysokości przypada różnica potencjałów wynosząca ok. 100 V. Jednak nie musimy się martwić, że np. osoby o 2- metrowym wzroście mogą zostać kopnięte przez prąd o napięciu 200 V, a to dlatego, że wszyscy jesteśmy w pewien sposób uziemieni, poprzez kontakt z przedmiotami naziemnymi, które posiadają ten sam potencjał co Ziemia. Jak już powiedzieliśmy w czasie trwania chmury powstają olbrzymie wyładowani łukowe, które przebiegają od dna chmury do powierzchni Ziemi. Oczywiście także takie wyładowania mogą powstawać pomiędzy chmurami, a nawet pomiędzy częściami jednej i tej samej chmury. Co ciekawe wyładowań które zachodzą tylko w chmurach jest ok. 30 razy więcej niż tych przebiegających od chmur do Ziemi. Takie wyładowania mogą dosyć dobrze oglądać satelity meteorologiczne. W każdym takim wyładowaniu przenoszony jest ładunek wynoszący ok. 20 - 30 Culombów (Culomb jest jednostką określającą ilość ładunku elektrycznego w układzie SI, 1 C oznacza ładunek jaki przepłynął w 1s przez jednostkę powierzchni, uniesiony przez prąd o natężeniu 1 A). Jednak jak wszyscy dokładnie wiemy, burza to nie tylko jedna błyskawica, ale całe ich mnóstwo. Nasuwa się pytanie jak dużo czasu potrzeba, aby ładunek w chmurze się zregenerował i nastąpiło kolejne wyładowanie atmosferyczne. To pytanie jest bardzo ciekawe i co więcej naukowcy już znaleźli na nie odpowiedź. W wyniku przeprowadzonych pomiarów nad polem elektrycznym, jakie wytwarza chmura burzowa, okazało się, że wartość tego pola osiąga gwałtowny spadek w momencie wyładowania elektrycznego, po którym przez ok. 5 sekund w sposób ciągły i łagodny powraca do pierwotnej wartości. Tak więc po ok. 5 sekundach od uderzenia błyskawicy może pojawić się kolejna. Może, ale nie musi, uzależnione jest to od ciągle zmieniających się warunków. Widać, że taka chmura burzowa, to całkiem sprawna maszyna elektryczna, która potrafi się w stosunkowo krótkim czasie ponownie naładować. Wnioskując po istniejących wyładowaniach atmosferycznych, to cała planeta Ziemia, która przypomina olbrzymi kondensator musi się rozładowywać. Istotnie tak się dzieje, jednak jest ona cały czas ładowana poprzez promieniowanie docierające do nas od Słońca. Tak więc, obserwowana dzisiaj zorza polarna nad niebem w Norwegii, może spowodować powstanie potężnej burzy w Afryce. Jeśli przyjrzeć się danym statystycznym dotyczących burz na całym świecie, to okazuje się, że w każdej chwili na świecie występuje ok. 1800 burz. Pomiędzy tymi burzami istnieją zależności takie, że jeśli jedna burza w pewnym określonym miejscu cichnie i się kończy to zaraz powstaje następna w odległości ok. .1500 km. od tej. W każdej minucie w powierzchnię Ziemi uderza ok. 6000 piorunów, czyli jak łatwo policzyć w każdej sekundzie 100 piorunów uderza w Ziemię. Każdy z takich piorunów może zostać wywołany przez różnicę potencjałów wynoszącą 100 mln V. Jeśli chodzi o statystyki dotyczące naszego kraju, to średni czas trwania burzy w Polsce wynosi 2,5 godziny. Średnio w powierzchnię wynoszącą 1 km2, uderzają 2 pioruny w ciągu roku. Piorun w czasie swojego uderzenia rozgrzewa powietrze dookoła siebie, tworząc taki kanał o średnicy ołówka w którym powietrze jest ogrzane do temperatury ok. 30 tys. OC. Dzieje się to w czasie wynoszącym mniej niż 1 milisekunda. Jeśli przyjrzeć się mocy takiego pioruna, który powstaje w nocy, to z zaskoczeniem można stwierdzić iż jest ona porównywalna z mocą bomby atomowej. Ta niszczycielska moc związana jest z wyzwoleniem olbrzymich ilości energii w bardzo krótkim czasie, zupełnie tak samo jak ma to miejsce w przypadku uderzenia bomby atomowej. Moc ta może wynosić od 1000 do 2000 kWh. W wyniku uderzenia pioruna, gwałtownie rozprężające się powietrze w kanale błyskawicy, powoduje powstanie potężnej fali uderzeniowej, którą słyszymy jako grzmot, który oczywiście pędzi w naszą stronę z prędkością dźwięku. W każdym roku w powierzchnię Ziemi uderza ok. miliard piorunów. Pioruny te każdego dna zabijają ok. 20 osób, a 80 innych rażą powodując u nich dotkliwe obrażenia. W klimacie w którym my się znajdujemy średnia liczba dni burzowych w ciągu roku waha się od 14 do 36, zależnie od regionu.

Do XVIII wieku ludzkość tak dokładnie nie wiedziała czym naprawdę są błyskawice. Dopiero Benjamin Franklin w 1752 roku przeprowadził swój słynny eksperyment w którym udowodnił, że błyskawice to wyładowania elektryczne. W eksperymencie tym wypuścił w czasie burzy latawiec, który był zbudowany z jedwabnych chusteczek, a do jego końca przywiązał klucz. Gdy Franklin zbliżał swoją rękę do klucza pomiędzy nim a kluczem przeskakiwała iskra, wynikająca z tego, że klucz był naładowany ładunkiem elektrycznym. Eksperyment ten jak łatwo się domyślić nie należał do najbezpieczniejszych i tylko ogromne szczęście uchroniło Franklina przed śmiercią. Szczęścia tego nie miał niestety szwedzki uczony Engelstad, który w 1909 roku, w czasie próby powtórzenia eksperymentu Franklina stracił niestety życie.

Benjamin Franklin

Słynny Amerykanin, który był jednym z twórców niepodległość USA, wybitny mąż stanu, a także fizyk, filozof i publicysta. Na początku był zwolennikiem ścisłej współpracy pomiędzy koloniami Wielkiej Brytani w nowym świecie a samą Wielką Brytanią. Prowadził działania mające na celu zjednoczenie kolonii. W latach 1757 - 1775 reprezentował kolonie w Wielkiej Brytanii, wnosząc petycje o zmniejszeniu podatków jakie nakładał na kolonie rząd brytyjski. Jako naukowiec badał zjawiska elektryczne. Jest min. wynalazcą piorunochronu, oraz kondensatora płaskiego. Zajmował się także naturą zjawisk klimatycznych, min. określił drogę jaką przebywa Prąd Zatokowy inaczej zwany Golfsztromem. Po 1775 roku stał się obok Waszyngtona głównym organizatorem państwa i armii amerykańskiej. W 1776 roku współtworzył deklarację niepodległości USA. W 1782 roku prowadził rozmowy z Wielką Brytanią mające na celu uznanie istnienia nowego państwa. W 1790 roku zgłosił wniosek o zniesienie niewolnictwa. Przez całe swoje życie stworzył wiele traktatów politycznych i opublikował wiele prac naukowych.

Teoria Wilsona

Wilson Charles Thomas Rees był znanym brytyjskim fizykiem, profesorem na uniwersytecie Cambridge. Był członkiem pierwszego angielskiego towarzystwa naukowego - Royal Society, które zrzeszało w sobie wielu wybitnych przedstawicieli nauk przyrodniczych i matematycznych. Zajmoawał się badaniami nad promieniotwórczością, oraz kondensacją pary wodnej. W 1911 roku stworzył metodę dzięki której można było obserwować tor lotu cząstek elementarnych - była to tzw. komora kondensacyjna Wilsona. Komora ta umożliwiła poznanie podstawowych zjawisk zachodzących w świecie cząstek i pozwoliła na określanie ich energii i pędów. W 1927 Wilson za swoją komorę został uhonorowany Nagrodą Nobla.

Jednak nie będziemy się tutaj bliżej zajmować jego wynalazkiem tylko przedstawimy jedną z jego teorii, która tłumaczyła mechanizm w jaki powstają silne ładunki elektryczne znajdujące się w chmurze.

Wilson był wybitnym znawcą świata cząstek elementarnych, co w połączeniu ze znajomością problemów kondesacji pary wodnej doprowadziło do stworzenia przez niego teorii bardzo pomysłowej. Jednak teoria ta nie jest doskonała, posiada w sobie także słabe punkty, które mogą być przez złośliwych wytykane, przez co cała teoria może zostać podważona.

Otóż rozumowanie jakie przeprowadził Wilson dotyczyło kropel wody, jednak można je także przeprowadzić dla kryształków lodu. Jest to o tyle ważne, gdyż w czasie burzy gdy ciepłe powietrze unosi się coraz wyżej jego temperatura może spać do -40OC, a nawet niżej. Unoszona przez masy powietrza para wodna zostaje zamieniona w kryształki lodu. Lód, jako że jest dużo cięższy od powietrza zaczyna spadać pod wpływem działania grawitacji. W czasie swojego lotu dochodzi do zderzeń z kropelkami wody znajdującymi się w chmurze. W ten sposób także powstaje grad. Bowiem gdy taki pojedynczy kryształek lodu wiruje w takiej chmurze, raz po raz zderzając się z kroplami wody, to obrasta w nowe warstwy lodu i staje się coraz większy. W historii odnotowano nawet fakt gradu który spadł kiedyś w Anglii i miał postać 2 kg brył lodu. Wilson założył w swojej teorii coś takiego, że jeśli w atmosferze istnieje pole elektryczne, które podobne jest do pola elektrycznego jakie występuje pomiędzy okładkami kondensatora ( natężenie takiego pola wynosi ok. 100 V/m), to spadająca kropla wody w takim polu powinna posiadać rozdzielone ładunki elektryczne. Patrząc na to z bardziej fizycznego punktu widzenia, kropla wody powinna posiadać indukowany moment dipolowy.

W powietrzu występuje równa ilość jonów tzw. małych i dużych Jony małe to po prostu zjonizowane cząsteczki gazów znajdujących się atmosferze, natomiast jony duże to kryształki soli jakie występują głównie nad morzami i oceanami, lub też cząsteczki pyłu, czy kurzu, które unoszą się głównie nad lądami. W teorii Wilsona istotne są raczej duże jony, które charakteryzują się mniejszą ruchliwością niż jony małe, które są po prostu zbyt szybkie. Teraz wyobraźmy sobie, że kropla wody w czasie swojego spadania napotyka duży dodatni jon. Okazuje się że kropla taki jon odepchnie od siebie. Jednak uważny czytelnik natychmiast przypomni sobie o tym, że powiedzieliśmy: kropla wody jest dipolem, ma rozdzielony ładunek elektryczny. Tak więc jeśli jedna strona kropli wody odepchnęłaby jon od siebie to druga strona powinna go do siebie przyciągnąć. Otóż tak się nie stanie, duży jon jest zbyta ciężki i przez to mało ruchliwy, aby spadająca kropla mogła go przyciągnąć do siebie zanim porwie go prąd powietrza, jaki został wytworzony przez kroplę. Tak więc dodatnie jony nie mają szans na przyłączenie się do kropli wody. Jednak zupełnie inaczej sprawa wygląda z jonami ujemnymi. Jony te od razu zostają przyłączone do kropli wody, przekazując jej swój ładunek. Tak więc, o ile kropla wody na początku posiadała ładunek zerowy (co prawda podzielony na dwie części - dodatnią i ujemną) w miarę jej spadania staje się coraz bardziej ujemna. Natomiast jony dodatnie które zostały odepchnięte przez kroplę zostają unoszone do góry. I w taki oto właśnie sposób tworzy się końcowy stan chmury burzowej: powstaje dodatnio naładowany szczyt i ujemnie naładowany dół. Gdy w wyniku zgromadzenia się olbrzymiej ilości ładunku, powstaje różnica potencjałów o takiej wartości, która wystarcza na to, aby izolator jakim jest powietrze znajdujące się pomiędzy chmurą a powierzchnią Ziemi, zaczęło przewodzić prąd elektryczny. Wówczas dochodzi do błyskawicznego przeskoku prądu elektrycznego, który obserwujemy jako uderzenie pioruna. Można się teraz zastanowić nad tym, w jaki sposób powietrze które jest izolatorem, nagle jest w stanie przewodzić prąd elektryczny. Otóż powietrze jak wszyscy doskonale wiemy jest mieszaniną kilku gazów. Najwięcej w nim znajduje się azotu, bo aż ok. 78%, dużo jest także tlenu, bo ok. 21%. Gazy te występują w postaci cząsteczkowej, czyli tworzą cząsteczki zbudowane z dwóch atomów. A jak wiemy, w centrum każdego z atomów znajduje się dodatnie naładowane jądro. Atom jest obojętny elektrycznie, jednak w jego jądrze znajdują się ładunki elektrycznie dodatnie - protony, a wokół jądra krążą ładunki elektryczne ujemne - elektrony, których jest tyle samo ile protonów. Do momentu gdy taki układ jest stabilny, czyli nie jest zjonizowany, to nie jest w stanie przewodzić prądu elektrycznego. Jedna w czasie gdy pojawi się silne pole elektryczne, które powstało w wyniku zaistnienia dużej różnicy potencjałów, to taki porządek zaczyna stopniowo się załamywać. W polu elektrycznym na ładunki elektryczne działa siła, która powoduje ich przesuwanie. Dlatego też elektrony które znajdują się w cząsteczkach gazu, powoli zaczynają się przesuwać w kierunku źródła ładunków dodatnich. Natomiast dodatnio naładowane jądra zaczynają się przesuwać w kierunku źródła ładunków ujemnych. Gdy elektrony uwolnią się z uścisków atomów uciekają w określoną przez pole elektryczne stronę. Z kolei taki uciekający atom może zderzyć się z innymi atomami powodując wyrwanie z nich kolejnych elektronów, analogicznie do pędzącej kuli bilardowej po stole. I to właśnie te elektrony przenoszą prąd elektryczny błyskawicy. Jednak pozostaje problem w jaki sposób chmura burzowa regeneruje swój ładunek. Wydaje się, że czas wynoszący 5 sekund dla zjawiska tej skali jest trochę za krótki. Wilson aby stworzyć swoją teorię kompletną, musiał założyć, że w chmurze burzowej cały czas odbywa się proces produkcji jonów o różnych znakach. I to jest właśnie ten słaby punkt teorii Wilsona, która do tej pory wydawała się jak najbardziej elegancka i trafna. Otóż mechanizmy produkcji jonów są dobrze poznane, ale nic praktycznie nie wiadomo o tym, jaki miałby zachodzić we wnętrzu takiej burzowej chmury. I tu pojawia się problem, bowiem jak na razie nie sposób wyjaśnić tego problemu. Jedyne co jest jak najbardziej pewne, to to, że ta olbrzymia machina elektryczna, jaką jest chmura burzowa potrafi produkować piękne, ale bardzo niebezpieczne dla życia pioruny.

Pioruny z bliska.

Badania przeprowadzone na piorunach, w których filmowano piorun za pomocą bardzo szybkiej kamery, okazało się, że błyskawica tak naprawdę nie jest tworem jednolitym i ciągłym. Co więcej to można wyróżnić kilka faz jej życia. Obserwując zdjęcia wykonane piorunom w zwolnionym tempie, można zauważyć dokładnie, że uderzenie pioruna poprzedza tzw. zstępujący przewodnik - prekursor. Jest to coś na kształt jasnego niewielkiego punktu, który toruje drogę. Okazuje się że taki przewodnik charakteryzuje się jasnością dużo mniejszą niż sama błyskawica. Odrywa się on od chmury i porusza się w kierunku Ziemi w bardzo nieregularny sposób. Czasami taki prekursor przebywa drogę ok. 50 metrów z prędkością wynoszącą ok. 1/6 prędkości światła, po czym nagle się zatrzymuje na ok. 50 mikrosekund, po czym zmienia kierunek i znowu przebywa odległość 50 metrów z ogromną prędkością, po czym cykl się powtarza. Taki prekursor niesie ze sobą ładunek ujemny w kierunku Ziemi, przez w pewnym sensie oczyszcza drogę piorunowi, tworząc ścieżkę zjonizowanego gazu. Dalsze analizy wskazały na to, że gdy taki prekursor znajdzie się w odległości ok. 50 - 100 metrów od powierzchni Ziemi, to z gruntu wyrasta dużo jaśniejszy przewodnik, który pędzi na spotkanie ze swoim towarzyszem. Wartość natężenia pola elektrycznego, oraz stopień jonizacji powietrza są wystarczające aby takie połączenie było możliwe. Tak więc, wyładowanie elektryczne rozpoczyna się niejako z Ziemi w kierunku podążającego prekursora. Gdy nastąpi połączenie tych dwóch tworów, wytwarza się swoistego rodzaju pomost, który przewodzi prąd. Wówczas to następuje natychmiast rozdzierający powietrze błysk, pochodzący od pędzącego z prędkością ok. 100 000 km/h pioruna. Średnica takiego kanału najczęściej nie jest większa niż średnica ołówka. Gdy wyładowanie elektryczne przebiega tylko pomiędzy chmurami, mówi się wówczas o wyładowaniu płaskim.

Jeśli w pobliżu prekursora znajdzie się przedmiot o ostrym zakończeniu, to wówczas pierwotne wyładowanie zaczyna się od niego. Wynika to z tego, że ładunki gromadzą się właśnie na ostrzach. Jest ogólnie znany fakt w elektrostatyce. Wszelkie obserwacje piorunów wskazują na to, że najczęściej uderzają one w drzewa, wieże kościołów, nadajniki, czy kominy fabryczne itp. Jednak przyjrzyjmy się bliżej co się dziej w momencie gdy prekursor dotrze do Ziemi. Otóż wówczas następuje lawinowy przepływ ładunków elektrycznych z chmury w kierunku Ziemi. Pierwsze ładunki docierające do gruntu, to te które znajdowały się najbliżej prekursora. Gdy te ładunki przepłyną ku ziemi, pojawia się luka, która jest natychmiast zapełniana przez następne ładunki "stojące w kolejce", kiedy i te spłyną do ziemi, tworzą kolejną lukę itd. Tak więc jak widać, jasna smuga światła jaką jest błyskawica przesuwa się odwrotnie niż przepływ realnych ładunków, bo od Ziemi w kierunku chmury.

Pioruny kuliste

Piorun kulisty zwany także kulą ognistą od dawna budzi wielkie zainteresowanie wśród pewnych grup fizyków. Prowadzone są liczne badania mające na celu wyjaśnienie powstawania tego rzadkiego zjawiska przyrodniczego. W tym celu już od wielu lat wyszukują świadków, którzy byli świadkami powstania takiej kuli ognistej i spisują ich relacje. Te z kolei służą im do ulepszania modeli fizycznych i matematycznych, dzięki którym można przeprowadzić symulację powstawania kuli ognistej.

Zapytany o pioruny kuliste prof. Z. Lisowski z Politechniki Warszawskiej stwierdził, że on sam "lekceważy pioruny kuliste", jednak są w Polsce naukowcy, którzy traktują ich badanie jako poważną sprawę i starają się wyjaśnić naturę ich powstawania. W swoich badaniach starają się wytworzyć w warunkach laboratoryjnych taki piorun. W tym celu wykorzystują linię elektroenergetyczną i wykonują sztuczny ulot z niej, przy czym fotografują zjawiska zachodzące wówczas. Jednak jak do tej pory nie udało im się wytworzyć czegoś co mogłoby przypominać piorun kulisty. Zwykły piorun, jaki możemy obserwować np. w czasie burzy trwa ułamki sekund, w przypadku piorunu kulistego może on unosić się w powietrzu przez kilka sekund, a nawet minut. Wśród fizyków występują różne teorie próbujące wyjaśnić, czym tak naprawdę są piorunu kuliste. Jedna z nich głosi, że być może piorun kulisty to oderwana część zwykłego pioruna liniowego. Często zdarza się, ze piorun liniowy, np. taki jak powstaje w czasie burzy, składa się z części jaśniejszych i ciemniejszych. Mówi się wówczas, że posiada on strukturę paciorkowatą, lub perełkową.

Czym jest tak naprawdę piorun? Otóż jest to taka gigantyczna iskra elektryczna, której przeskok wywołany jest różnicą napięć sięgającą setek milionów woltów. Ta różnica napięć powstaje pomiędzy warstwami chmur, a powierzchnią Ziemi i w żaden sposób człowiek nie może na nią wpłynąć.

Jednak, dlaczego w ogóle bada się pioruny. Na to pytanie odpowiada prof. Z. Lisowski: "Pioruny się bada, bo stanowią dla nas zagrożenie". Otóż statystyki pokazują, że w ciągu jednej minuty na całym świecie uderza w ziemię ok. 2000 piorunów. W ciągu całego roku jest ich ok. miliarda. Stanowią one także śmiertelne niebezpieczeństwo dla człowieka. Każdego dnia w wyniku ich uderzenia umiera 20 osób, a 80 zostaje porażonych. Także historia badań prowadzonych nad piorunami obfituje w różnego rodzaju sytuacje dramatyczne.

Otóż w trakcie badań nad piorunami, jakie prowadził fizyk G. Richman w 1973 roku, zginął on w wyniku porażenia piorunem kulistym. Fizyk ten był bliskim współpracownikiem wybitnego uczonego M. Łomonosowa. Wypadek ten wydarzył się w trakcie badań, jakie prowadzone były w czasie burzy. Badano wówczas wyładowania, jakie wychodziły z pionowego pręta umocowanego na dachu budynku. W czasie pomiarów z pręta takiego "wyskoczył" piorun kulisty i niestety zabił naukowca. Był to jednak pierwszy dobrze udokumentowany taki przypadek w historii nauki. Relację z tego zajścia możemy znaleźć w książce "Piorun ujarzmiony" autorstwa prof. J. L. Jakubowskiego, a który w niej przytacza słowa samego M. Łomonosowa: "...gdy prof. Richman, stojąc w odległości stopy od żelaznego pręta, patrzył na wskaźnik elektryczny, nagle z pręta bez dotknięcia wyskoczył w kierunku profesora bladobłękitny kłąb ognisty, wielkości pięści. Profesor w tej chwili, bez wydania głosu, upadł w tył na stojący za nim kufer... Jednocześnie rozległ się huk, jakby wystrzał z małego działa".

Jednak mimo tych faktów przez długi czas wielu uczonych wątpiło w istnienie czegoś takiego jak piorun kulisty, ponieważ uważali oni, iż opisy świadków nie są wiarygodne i wynikają tylko i wyłącznie z szoku i strachu. W dniu dzisiejszym jednak nie ma już cienia wątpliwości, iż to zjawisko jest jak najbardziej realne i występuje w przyrodzie.

Biorąc pod uwagę opisy świadków, którzy widzieli taki piorun na własne oczy, okazuje się, że piorun ten kształtem przypomina kulę, lub gruszkę. Porusza się on swobodnie w powietrzu, niejako latając w nim (piorun swobodny), ale może także przyczepić się do jakiegoś przedmiotu i z kolei poruszać się po jego powierzchni (piorun osiadły). Zwykle piorun swobodny przyjmuje barwę czerwoną i roztacza się wokół niego bladoniebieska aureola, natomiast osiadły ma postać białych lub niebieskich oślepiających kul. Według prof. Jakubowskiego piorun swobodny jest skupiskiem ładunku elektrycznego, które charakteryzuje się stosunkowo niewielką gęstością, dlatego nie jest on bardzo niebezpieczny dla nas. Jednak piorun osiadły ma dużo większą gęstość i może spowodować zniszczenie powierzchni przedmiotów, na których osiadł.

Piorun kulisty o średnicy 13 metrów.

Pioruny kuliste potrafią się bardzo dziwnie zachowywać. Niekiedy świadkowie relacjonują jak to taki piorun wpadł przez okno i wyleciał przez komin, lub odwrotnie, a czasami nawet potrafią przez chwilę krążyć w powietrzu po pomieszczeniu. Czasami się nawet zdarza, że taki piorun potrafi wybić dziurę w murze, "pęknąć" wydając dźwięk podobny do huku, rozpaść się na niezliczoną ilość iskier, a także niestety zabić człowieka.

Okazuje się, że naukowcom, już kilka razy udało się sfotografować piorun kulisty, jednak tylko zdjęcie Amerykanina J. C. Jensena, może być wykorzystywane do wyciągnięcia jakichkolwiek naukowych wniosków. Piorun ten, jak podaje sam Jensen miał barwę różową i przypominał swoim wyglądem gigantyczny fajerwerk. Autor zdjęcia miał dużo szczęścia, ponieważ udało mu się wykonać to zdjęcie w czasie burzy i to jednocześnie za pomocą dwóch aparatów fotograficznych. Dodatkowo piorun ten, który w sumie składał się z kilku kul, został sfotografowany na tle linii elektrycznej, dzięki czemu, można było określić jego odległość od obserwatora, a także jego wymiary. I przy prowadzeniu odpowiednich obliczeń okazała się rzecz zaskakująca. Wyliczona średnica tego pioruna wynosiła 13 metrów. To z kolei nie przypominało żadnego z piorunów kulistych opisywanych przez naocznych świadków, którzy opisywali je jako wielkości ludzkiej głowy, bądź pięści. Tak wielkie pioruny kuliste przywiodły na myśl naukowcom statki kosmiczne, o których to doniesienia często pojawiają się w Ameryce Północnej.

Piorun kulisty jako plazma.

Pioruny kuliste przez wiele lata jawiły się naukowcom jako czysta fantazja, dlatego też przez ten czas były one badane tylko przez amatorów - zapaleńców. Jednak już wówczas Ci amatorzy wiedzieli, że piorunu te są emiterami fal elektromagnetycznych, że mogą one stanowić zagrożenie i porazić człowieka prądem elektrycznym, oraz, że mogą zniknąć w wyniku kontaktu z uziemionym przewodem elektrycznym. Nie potrafiono jednak wtedy określić dokładnie jego kształtów, wymiarów, oraz czasu istnienia. W dniu dzisiejszym w wyniku prowadzonych badań przez prawdziwych naukowców wydaje się, że pioruny kuliste tworzy dość trwała plazma. Jednak w wyniku jakich procesów ona powstaje i dlaczego takie postaci przyjmuje, to tego naukowcy jeszcze nie są w stanie wyjaśnić. Jeśli jednak przyjmiemy, że faktycznie taki piorun kulisty to plazma, to to oznaczałoby, że mamy do czynienia z bardzo efektywnym i tanim źródłem energii. Na ten fakt zwrócili już uwagę fizycy pracujący w Akademii Nauk w Moskwie, a którzy prowadzą badania nad wyładowaniami gazowymi. W dniu dzisiejszym ten pomysł to nadal czyste spekulacje i nie wiadomo dokładnie jak można byłoby otrzymywać takie pioruny kuliste i je wykorzystywać. Obecnie prowadzi się badania mające na celu wyprodukowanie takich piorunów kulistych, jednak jak na razie otrzymuje się je raczej w sposób przypadkowy. W momencie kiedy uda się zapanować fizykom nad piorunami kulistymi, być może że dowiemy się wielu nowych rzeczy, a może nawet otrzymamy nowe źródło taniej energii. Jednak jak na razie możemy się z nimi spotkać jedynie w czasie burzy, a spotkanie to może być czasami mało przyjemne.

Ciekawostki

Na podstawie błyskawicy i czasu po jakim dotrze do nas grzmot od niej można łatwo określić w jakiej odległości błyskawica znajduje się od nas. Otóż na każde 5 sekund jakie upływają od błysku do grzmotu przypada ok. 2 km odległości. Jak już powiedzieliśmy tajemnicę, czym tak naprawdę są błyskawice rozwikłał amerykański znakomity uczony Benjamin Franklin. W 1752 roku przeprowadził swój słynny eksperyment w którym udowodnił, że błyskawice to wyładowania elektryczne. W eksperymencie tym wypuścił w czasie burzy latawiec, który był zbudowany z jedwabnych chusteczek, a do jego końca przywiązał klucz. Gdy Franklin zbliżał swoją rękę do klucza pomiędzy nim a kluczem przeskakiwała iskra, wynikająca z tego, że klucz był naładowany ładunkiem elektrycznym. Eksperyment ten jak łatwo się domyślić nie należał do najbezpieczniejszych i tylko ogromne szczęście uchroniło Franklina przed śmiercią. Szczęścia tego nie miał niestety szwedzki uczony Engelstad, który w 1909 roku, w czasie próby powtórzenia eksperymentu Franklina stracił niestety życie.

Gdy piorun dociera z przeraźliwym hukiem do powierzchni Ziemi, jego moc jest tak ogromna że stapia wszystko co znajduje się wokół niego. Temperatura wokół niego bowiem osiąga wartość ok. 30 tys. OC. Przypomnijmy podstawowe dane statystyczne. W każdej chwili na świecie występuje ok. 1800 burz. Pomiędzy tymi burzami istnieją zależności takie, że jeśli jedna burza w pewnym określonym miejscu cichnie i się kończy to zaraz powstaje następna w odległości ok. .1500 km. od tej. W każdej minucie w powierzchnię Ziemi uderza ok. 6000 piorunów, czyli jak łatwo policzyć w każdej sekundzie 100 piorunów uderza w Ziemię. Każdy z takich piorunów może zostać wywołany przez różnicę potencjałów wynoszącą 100 mln V.

Zasady bezpieczeństwa jakimi należy się kierować w czasie burzy

Piorun liniowy jaki dociera do powierzchni Ziemi, stanowi śmiertelne zagrożenie dla człowieka i zwierząt, a także może być przyczyną poważnych uszkodzeń budynków i innego rodzaju mienia. Najpopularniejszą ochroną stosowaną przeciw piorunom jest wyposażanie budynków w tzw. piorunochrony, lub odgromniki. Błyskawice zawsze uderzają w miejsca charakteryzujące się najmniejszym oporem elektrycznym. Jak wiemy z doświadczenia najczęściej uderzają w drzewa lub inne miejsca położone wyżej niż reszta otoczenia. Dlatego też najgorszym z możliwych pomysłów jest schronienie się w czasie burzy pod drzewem. Piorun gdy uderzy w drzewo może także porazić osobę, która stoi pod nim. Gdy piorun uderza w wilgotny przedmiot, np. w ścianę, czy drzewo to w wyniku wysokiej temperatury następuje tak gwałtowne wrzenie wody które je pokrywa, że wydaje się, że te przedmioty eksplodują. Znacząco narażenie w czasie burzy są osoby które trzymają jakieś metalowe przedmioty, np. parasol, widły, czy grabie. Zwiększa to drastycznie ryzyko trafienia przez błyskawicę. Z kolei samo uderzenie błyskawicy może spowodować w najlepszym wypadku liczne oparzenia, a w najgorszym zatrzymanie akcji serca i śmierć. Obecne statystki jednak wskazują, że spośród wszystkich osób rażonych piorunem, tylko ¼ umiera.

Zasady postępowania w czasie burzy

  • w czasie trwania burzy należy pozostawać w domu, lub w innym zamkniętym pomieszczeniu i wychodzić jedynie w szczególnych wypadkach
  • należy oddalić się na bezpieczną odległość od urządzeń takich jak piecy, wentylatory, czy inne urządzenia elektryczne
  • nie korzystać z telefonu, w tym także komórkowego
  • nie trzymać w rękach metalowych przedmiotów, takich jak kije golfowe, wędka, parasol, łopata, itp.
  • nie przenosić łatwopalnych materiałów w otwartych pojemnikach
  • w czasie podróży samochodem pozostać w nim, jest to bardzo bezpieczne miejsce do pozostania w czasie burzy. Gdy piorun uderzy w taki samochód, prąd elektryczny, po prostu spłynie do ziemi nie wyrządzając nam krzywdy.
  • nie przebywać w wodzie, jak i małych łódkach na powierzchni wody
  • jeśli jesteś w otwartym terenie spróbuj poszukać jakiegoś schronienia w postaci budynku, jaskini, ale unikaj wysokich wzniesień
  • w momencie gdy nagle poczujesz wokół siebie istnienie ładunków elektrycznych w powietrzu, kiedy włosy zaczną ci stawać dęba, to natychmiast przykucnij przy ziemi, jest wówczas bardzo prawdopodobne, że błyskawica może cię trafić, więc jak najszybciej poszukaj jakiegoś obniżenia terenu.
  • unikaj metalowych słupów, linii wysokiego napięcia i pozbądź się metalowych przedmiotów jakie masz przy sobie
  • w przypadku bycia w większej grupie ludzi, powinniście się rozproszyć
  • nigdy nie kładź się na ziemi

Zastanówmy się co jednak w piorunie zabija? Dlaczego jest on tak niebezpieczny? Większość ludzi powie że to w wyniku wysokiego napięcia. Jest to błędne stwierdzenie bowiem to natężenie prądu jest czynnikiem który powoduje obrażenia. Człowiek narażony na działanie prądu elektrycznego, może doznać pewnych obrażeń. Obrażenia te są skutkami działania prądu, które mogą mieć naturę fizyczną - takie jak poparzenia, chemiczną - mogą to być zmiany elektrolityczne, a także biologiczną - przykładem tu mogą być zaburzenia wykonywania czynności. To jakie działanie u człowieka wywołuje prąd elektryczny, zależy bezpośrednio od tego, czy jest to prąd stały, czy zmienny. Przykładem działania prądu stałego jest jego wpływ na posiadające ładunek elektryczny cząsteczki, które są budulcem wielu komórek. Przepływ prądu elektrycznego przez ciało powoduje powstanie pola elektrycznego, które to może unosić takie cząsteczki, zmieniając w ten sposób stężenie jonów w komórkach. Te przemieszczenia i zmiany są tym większe im dłużej organizm jest narażony na działanie prądu elektrycznego. Odpowiednie stężenie jonów w komórkach jest istotnym aspektem ich prawidłowego funkcjonowania. Przy jego zmianie, może dochodzić do poważnych zaburzeń w ich działaniu. Przykładami takich komórek, są komórki nerwowe i mięśniowe.