Fizyka Burzy
Autor:
Łukasz Słomski
kl. II „a”
BURZE
Informacje ogólne:
O burzy mówimy wtedy, gdy następuje jedno lub kilka nagłych wyładowań atmosferycznych (piorunów), przejawiających się krótkim, silnym błyskiem i suchym trzaskiem lub głuchym grzmotem. Wyładowania występują zarówno pomiędzy chmurami jak i między chmurą, a ziemią. Zjawisko to tłumaczy teoria mówiąca iż, na skutek indukcji elektrostatycznej (influencja- zjawisko rozdzielania się ładunków elektrycznych różnych znaków w przewodnikach i dielektrykach [izolatory], pod wpływem zewnętrznego stałego pola elektrycznego. Pod wpływem sił pola elektrycznego swobodne nośniki ładunków elektrycznych w przewodnikach przesuwają się, w wyniku czego w przewodniku powstaje pole elektryczne skierowane przeciwnie do pola zewnętrznego. Ruch nośników ustaje z chwilą skompensowania pola zewnętrznego przez wewnętrzne. Rezultatem indukcji elektrycznej jest naładowanie elektrycznie przewodnika. Zjawisko influencji wykorzystuje się w elektryzowaniu przewodników oraz w maszynach elektrostatycznych, służących do otrzymywania ładunków elektrycznego [np. generator van de Graffa, maszyna elektrostatyczna influencyjna A.J. Töplera]) powierzchnia gruntu pod ujemnie naładowaną częścią chmury ładuje się dodatnio. Powstaje sytuacja podobna jak pomiędzy rozdzielonymi dielektrykami okładkami kondensatora (element bierny obwodu elektrycznego składający się zwykle z dwóch przewodników [okładek] odizolowanych od siebie warstwą dielektryku. W wyniku przyłożenia napięcia prądu stałego na jednej okładce kondensatora elektrycznego gromadzi się dodatni ładunek elektryczny, na drugiej ujemny, a w dielektryku powstaje pole elektryczne. Energię zgromadzoną w dielektryku wykorzystuje się w postaci krótkotrwałych impulsów prądu powstających podczas rozładowywania kondensatora elektrycznego [generatory elektryczne wielkiej częstotliwości, lampy błyskowe itp.]. Ponieważ naładowany kondensator elektryczny blokuje przepływ prądu stałego, pozwala natomiast na przepływ prądu zmiennego. Kondensator elektryczny stosuje się w układach prostowniczych i filtrujących. Kondensatory elektryczne znajdują także zastosowanie w obwodach drgań elektrycznych i układach do ich generacji oraz układach całkujących). Gdy różnica potencjałów elektrostatycznych pomiędzy chmurą i gruntem przekroczy wartość krytyczną dochodzi do "przebicia kondensatora" i następuje wyładowanie. Zjawisko to ilustruje rysunek poniżej:
Jak powstaje burza ?
Powietrze w górnych warstwach atmosfery jest o wiele zimniejsze niż przy powierzchni Ziemi. Ciepłe powietrze jest lżejsze od zimnego, więc unosi się do góry. W trakcie wznoszenia powietrze się rozpręża, a przy rozprężaniu wszystkie gazy bardzo się ochładzają. (Tak wygląda na przykład wypływ dwutlenku węgla z przebitego naboju do syfonu. Rozprężający się gaz ochładza się tak bardzo, że jego temperatura spada poniżej - 80 stopni Celsjusza i gaz zamienia się w tak zwany suchy lód, a cały nabój pokrywa się szronem). Wznoszące się powietrze w trakcie rozprężania staje się chłodniejsze od otoczenia, a więc cięższe i opada na dół. Inaczej przebiega ten proces, gdy wznoszące się powietrze zawiera dużo pary wodnej. W miarę ochładzania się powietrza, zawarta w nim para wodna kondensuje się, czyli skrapla. Przy kondensacji, wydziela się dużo ciepła (tyle samo, ile wcześniej należało dostarczyć, aby woda odparowała). Uwalniające się ciepło powoduje, że powietrze wilgotne stygnie wolniej i jest stale cieplejsze, a więc lżejsze od otoczenia.
To jest właśnie mechanizm, który powoduje, że w obszarze burzy powietrze bardzo gwałtownie - z prędkością pociągu pospiesznego - wznosi się do góry i osiąga wysokość powyżej 15 000 m. Na tej wysokości temperatura jest bardzo niska (około -60C). Skondensowane kropelki wody zamieniają się w lód, stopniowo łącząc się z sobą i tworząc coraz większe kryształy. Gdy cząsteczki lodu stają się zbyt wielkie, zaczynają spadać, pociągając za sobą w dół zimne powietrze. W trakcie opadania cząsteczki lodu topnieją i z chmury zaczyna padać deszcz. Ponadto stosunkowo chłodne powietrze, gdy tylko dotrze do powierzchni Ziemi, zaczyna rozchodzić się na boki. Dlatego zwykle przed burzą wieje chłodny wiatr. Opadanie cząsteczek lodu lub kropel wody związane jest z jeszcze jednym zjawiskiem. Ponieważ Ziemia naładowana jest ujemnie, dół kropli lub kryształka lodu ładuje się przez indukcję ładunkiem dodatnim.
Rodzaje burz
Jak się okazuje "burze z piorunami" to nie tylko burze deszczowe, ale także burze piaskowe i śnieżne. Do ciekawszych należą te drugie - burze śnieżne. W Polsce należą do rzadkości, ale w wyższych szerokościach geograficznych (południowa Wielka Brytania, Norwegia, Szwecja) to ok. 8% wszystkich burz. Może to mieć związek z ciepłym Prądem Zatokowym, który obmywając zachodnie wybrzeża Europy i niosąc ciepłe powietrze sprzyja powstawaniu burz. Wyładowania występujące w czasie śnieżnego lub piaskowego "burzowania" są słabsze niż podczas "zwykłych" burz (co nie oznacza, że nie są niebezpieczne). Najbardziej ciekawe są burze występujące przy gigantycznych pożarach lasów. Zdarzają się one bardzo rzadko, bo służby ratownicze docierają do miejsca pożaru stosunkowo szybko, ale w historii można spotkać opisy burzy powstającej z oparów i dymu wytworzonych podczas pożarów.
Pioruny
Pioruny to niezwykle ciekawe zjawiska występujące w czasie burzy. (Burze powstają w sytuacji, gdy w ciągu niespełna godziny wstępujący prąd ciepłego, wilgotnego powietrza zmienia niewielkie chmury kłębiaste [tzw. Cumulusy] w ciężkie, gęste chmury burzowe [tzw. Cumulonimbusy] wysokości 10-16 kilometrów i szerokości około 8 kilometrów. Z potężnymi prądami wstępującymi sąsiadują zstępujące prądy chłodniejszego powietrza, które razem tworzą w chmurze wyjątkowo silne zawirowania. Szybko wznoszące się powietrze porywa w górę duże krople wody, kryształki lodu i grad. Ich zderzenia wytwarzają potężne ładunki elektryczne. Gdy zgromadzi się ich odpowiednia ilość, następuje wyładowanie elektryczne)
Do najczęściej występujących i najlepiej znanych należą wyładowania liniowe, czyli rozgałęzione 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. Rzadko też występują inne rodzaje piorunów: piorun kulisty (jaskrawo świecąca kula zjonizowanego gazu o średnicy kilkudziesięciu cm) i piorun paciorkowaty, zwany też łańcuchowym lub perełkowym (łańcuszek złożony z oddzielnych punktów świetlnych). Niestety do dnia dzisiejszego nikomu nie udało się wyjaśnić do końca mechanizmu powstawania piorunów. Istniejące teorie są w stanie opisać większość zjawisk elektrycznych zachodzących w burzowej chmurze, ale zawsze pozostaje jakiś mały fragment, który nie chce się za nic w świecie zmieścić w danej teorii, lub też istnieją w niej tzw. słabe punkty. Wiemy na przykład (Rys. 1), że dodatnie ładunki elektryczne gromadzą się w górnej i środkowej części chmury, a ujemne - w dolnej części. Środkowy obszar ładunku dodatniego jest w dużej mierze zagadką, ale przypuszcza się, że są to dodatnio zjonizowane atomy lecące ku górze porwane przez prąd wstępujący, które straciły swoje elektrony na skutek zderzeń z elektronami lecącymi z góry na dół.
Rozkład ładunków elektrycznych w dojrzałej chmurze burzowej (Rys. 1)
Na dnie chmury zgromadzony jest tak duży ładunek ujemny, że między nią a Ziemią powstaje ogromna różnica potencjałów rzędu 20, 30 milionów Voltów (a nawet 100 milionów Voltów!). Dla porównania przy pięknej bezchmurnej pogodzie różnica potencjałów między Ziemią, a górnymi warstwami atmosfery (jonosferą) wynosi około 400 tysięcy Voltów. Na każdy metr wysokości przypada różnica aż około 100V. Bez obawy, nawet wysokich np. dwu metrowych ludzi nie "kopie" prąd o napięciu 200V, a to dlatego, że wszyscy jesteśmy z Ziemią "połączeni" poprzez różne przedmioty i mamy ten sam, co ona potencjał elektryczny. Podczas burzy powstają ogromne wyładowania łukowe, przenoszące ładunki ujemne z dna chmury do dodatnio naładowanej Ziemi. Oczywiście wyładowania następują również między dwoma chmurami, a także między częściami tej samej chmury i jest ich nawet ok. 30 razy więcej niż wyładowań liniowych do Ziemi. Dobrze to widzi z kosmosu satelita meteorologiczny. W każdym takim wyładowaniu przenoszony jest ładunek od 20 do 30 kulombów (C, jednostka ładunku elektrycznego w układzie SI, zdefiniowana jako ładunek elektryczny przepływający w czasie 1 s. przez powierzchnię, gdy prąd elektryczny płynący przez tę powierzchnię wynosi 1 A. Także jednostka strumienia elektrycznego. Nazwa pochodzi od nazwiska fizyka francuskiego Ch.A. Coulomba)! Ale burza nie kończy się przecież na jednej samotnej błyskawicy, lecz ma ich całe mnóstwo. Jak długo musi się regenerować ładunek chmury, aby znów mogła uderzyć błyskawica? Ciekawe pytanie, na które na szczęście udało się znaleźć odpowiedź. Mierząc pole elektryczne wytwarzane przez chmurę dowiadujemy się, że wykazuje ono gwałtowny skok w momencie wyładowania i łagodny powrót do poprzedniej wartości w czasie około pięciu sekund. Czyli po 5 sekundach może już uderzyć kolejny piorun. Ale nie musi, ponieważ zmieniają się różne inne towarzyszące temu warunki. Wynika z tego, że chmura musi być bardzo sprawną maszyną elektryczną. Skoro występują wyładowania z chmur, to cały Wielki Kondensator, którym jest nasza Ziemia musi się rozładowywać. Istotnie, ale jest jednocześnie ponownie ładowany przez Słońce i wysokoenergetyczny wiatr słoneczny, który zderza się z górnymi warstwami atmosfery. Tak, więc zorza polarna nad biegunem dzisiaj może jutro spowodować burzę w Afryce! W każdym momencie nad światem szaleje 1800 burz, między którymi istnieją związki powodujące, że jeśli jedna burza cichnie to druga rodzi się w odległości 1500 km. Co minutę razi Ziemię 6000 gromów, a każdego dnia co sekundę uderza w Ziemię do stu piorunów. Każdy z nich może być wywołany różnicą potencjałów równą 100 mln V. Średnia długość trwania burzy w Polsce to 2,5 godziny. W kilometr kwadratowy gruntu rocznie trafiają średnio 2 pioruny na rok. Kanał błyskawicy, o szerokości ołówka, zostaje ogrzany do temperatury 30 tys. °C w czasie niespełna tysiącznej części sekundy. Wyładowanie podczas burzy wyzwala moc zbliżoną do mocy... bomby atomowej. Jego niszczycielska siła, podobnie jak bomby, tkwi w ogromnej ilości energii wyzwolonej w bardzo krótkim czasie (tysięczne sekundy). Duża błyskawica wytwarza w tym czasie energię od 1000 do 2000 kWh. Gwałtownie rozprężające się powietrze w tym kanale wytwarza falę uderzeniową i potężny odgłos grzmotu który rozchodzi się oczywiście z prędkością dźwięku. Rocznie w powierzchnię ziemi trafia miliard piorunów. Codziennie na świecie zostaje przez nie zabitych około 20 osób, a 80 porażonych. W naszym klimacie jest przeważnie 14 do 36 dni burzowych w roku zależnie od regionu.
Na pytanie czym są błyskawice znalazł odpowiedź amerykański uczony i polityk Benjamin Franklin (1706-1790), który udowodnił, że są to wyładowania elektryczne. W lipcu 1752 roku przeprowadził swój słynny eksperyment. Wypuścił w kierunku chmury burzowej sporządzony z jedwabnych chusteczek latawiec. Do końca jego linki przymocował metalowy klucz, a gdy przybliżał do niego rękę, między nią a kluczem przeskakiwała iskra elektryczna. W roku 1909 szwedzki uczony Engelstad stracił życie próbując powtórzyć eksperyment Franklina.
Benjamin Frank lin
Benjamin Franklin- jeden z twórców niepodległości USA, mąż stanu, fizyk, filozof, publicysta. Początkowo zwolennik ścisłych związków kolonii angielskiej z Wielką Brytanią i działacz na rzecz zjednoczenia kolonii. Od 1757 roku do 1775 roku, wielokrotny ich reprezentant w Anglii, wnoszący petycje przeciw podatkom nakładanym na kolonie przez rząd. Jako naukowiec zajmował się zjawiskami elektrycznymi (wynalazł piorunochron, kondensator płaski) i klimatycznymi (ustalił drogę przebiegu Prądu Zatokowego zw. Golfsztromem). Współzałożyciel uniwersytetu w Pensylwanii. Od 1775 obok Waszyngtona główny organizator armii i państwa amerykańskiego. W 1776 roku współautor Deklaracji niepodległości Stanów Zjednoczonych. W 1782 roku prowadził rokowania z Wielką Brytanią i doprowadził do uznania przez nią nowego państwa. Od 1785 roku do 1787 roku, współautor konstytucji USA. W 1790 roku zgłosił wniosek o zniesienie niewolnictwa. Autor wielu traktatów politycznych i filozoficznych oraz prac naukowych.
Wilson Charles Thomas Rees
Wilson Charles Thomas Rees- fizyk brytyjski, profesor uniwersytetu w Cambridge. Członek Royal Society (The Royal Society of London for Improving Natural Knowledge, Towarzystwo Królewskie, pierwsze angielskie towarzystwo naukowe (założone w 1660 roku) zrzeszające czołowych przedstawicieli nauk matematycznych i przyrodniczych. Pełni rolę brytyjskiej akademii nauk. Od 1665 roku wydaje "Philosophical Transactions", od 1832 roku - przegląd sprawozdawczy "Proceedings of the Royal Society".) badacz promieniotwórczości, kondensacji pary wodnej. W 1911roku opracował metodę obserwacji torów cząstek naładowanych elektrycznie w gazie przesyconym parami cieczy (komora kondensacyjna Wilsona, urządzenie do badania torów cząstek jonizujących, zwykle w formie cylindrycznego naczynia o przezroczystej ściance, zaopatrzonego w tłok i wypełnionego gazem z parą cieczy [np. argon z parami alkoholu etylowego i wody]. Przez szybkie, tuż po przejściu cząstki jonizującej, rozprężenie gazu za pomocą tłoka uzyskuje się w komorze kondensacji przesycenie pary, która skrapla się na jonach wytworzonych w gazie przez cząstkę. Ślad jej toru obserwowany i fotografowany jest jako pasemko kropelek mgły. Komora kondensacji umożliwia wyznaczenie energii cząstek i ich pędów [po umieszczeniu w polu magnetycznym]), za co w 1927 roku otrzymał nagrodę Nobla.
Teoria Wilsona
Przedstawiam teraz teorię (jedną z lepszych) tłumaczącą mechanizm powstawania silnych ładunków elektrycznych w chmurze. Stworzył ją C.T.R. Wilson, (angielski fizyk znany z innego jednak powodu: był konstruktorem tzw. komory Wilsona służącej do śledzenia torów szybkich cząstek w eksperymentach atomowych i jądrowych.) Niezależnie od zainteresowań fizyką cząstek, C.T.R. Wilson był wysokiej klasy znawcą problemów kondensacji pary wodnej i chyba to zadecydowało o wysokiej jakości jego pomysłu. Niemniej jednak teoria Wilsona posiada także słaby punkt, który złośliwi mogą wytknąć i usiłować podważać.
Rozumowanie, które przeprowadził Wilson dotyczyło kropel wody, ale jest słuszne również dla kryształków lodu. To bardzo ważne, bowiem gdy ciepłe powietrze wewnątrz chmury burzowej wznosi się na bardzo dużą wysokość, spada jego temperatura do -40 °C a nawet bardziej. Unoszona przez nie para wodna zamarza w kryształki lodu. Pod wpływem grawitacji lód oczywiście spada, zderzając się z kropelkami wody z chmury. Tak powstaje też grad. Pojedynczy kryształek lodu może wędrować w górę i w dół kilkadziesiąt razy zanim spadnie na Ziemię. Za każdym razem narasta nowa warstwa lodu. W Anglii spadło kiedyś kilkanaście 2 kg brył lodu. Wilson wyszedł z założenia, że skoro w atmosferze istnieje pole elektryczne niczym między okładkami wielkiego kondensatora, o natężeniu średnio 100V/m (tzn. że wraz ze wzrostem wysokości nad Ziemią różnica potencjałów wzrasta o 100 V co 1 m), to spadająca kropla wody ma rozdzielony ładunek elektryczny (Rys.2). Mówiąc naukowo, kropla ma indukowany moment dipolowy.
Rozkład ładunku w spadającej kropli, która na swej drodze spotyka duże jony. Teoria C.T.R. Wilsona. (Rys. 2)
W powietrzu znajduje się duża ilość jonów, zarówno dużych jak i małych. Małe jony to po prostu zjonizowane cząsteczki gazów atmosferycznych, duże zaś to małe kryształki soli (głównie nad morzami) lub kurz i pył (przede wszystkim nad lądami). Z punktu widzenia omawianej teorii istotne są duże, mało ruchliwe jony - jony małe są zbyt szybkie. Wyobraźmy sobie teraz, że spadająca kropla napotyka na swej drodze duży dodatni jon. Taki jon nie przyłączy się, wręcz odwrotnie: zostanie odepchnięty. Ale przecież kropla od drugiej strony jest ujemna, zawołają niektórzy Czytelnicy, i do tej strony taki jon zaraz się przyczepi. Nic z tego. Duże jony są tak mało ruchliwe, że unosi je ze sobą prąd powietrza wytworzony przez kroplę. Tak więc duże jony dodatnie nie mają szans. Inaczej ma się rzecz z jonami ujemnymi. Te od razu przylepiają się do kropli oddając jej swój ładunek. Jaki stąd wniosek? Kropla, która początkowo posiadała ładunek zerowy (co prawda rozdzielony na dwa: dodatni i ujemny, ale dokładnie się równoważące) staje się elektrycznie coraz bardziej ujemna w miarę posuwania się ku dołowi. Jony dodatnie, których krople nie schwytały są unoszone prądami powietrza do góry. W ten sposób otrzymujemy końcowy stan burzowej chmury: dodatnio naładowany szczyt i elektrycznie ujemny spód. Gdy różnica potencjałów osiągnie dostatecznie wysoką wartość, powietrze znajdujące się poniżej obłoku - działające dotychczas jako izolator - zaczyna przewodzić prąd elektryczny i następuje "błyskawiczne" wyładowanie. Ale jak to możliwe, że nie przewodzące prądu elektrycznego powietrze staje się nagle drogą dla pędzących ładunków elektrycznych? Powietrze jest mieszaniną kilku gazów. Najwięcej jest w nim azotu (78%), na drugim miejscu znajduje się tlen (21%). Cząsteczki każdego z tych gazów zbudowane są z dwóch atomów. Z kolei w centrum każdego atomu leży dodatnio naładowane jądro. Wokół jądra krąży tyle ujemnych elektronów, ile w jądrze dodatnich protonów, ponieważ pojedynczy atom jest obojętny elektrycznie. Dopóki taki układ jest stabilny tzn. nie zjonizowany, dopóty powietrze nie przewodzi prądu. Jednak kiedy w okolicy pojawi się duża różnica potencjałów - np. naładowana elektrycznie chmura albo nawet elektrody łuku węglowego, porządek zaczyna się łamać. Zgodnie z regułami fizyki, w polu elektrycznym ujemne elektrony zaczynają sie przesuwać się w kierunku źródła ładunków dodatnich, zaś dodatnio naładowane jądra wolą np. elektrodę, ziemię lub część chmury naładowaną ujemnie. Uwolnione z uścisków macierzystych atomów elektrony śmigają więc każdy w swoją stronę. Jeżeli po drodze pędzący elektron uderzy w inny atom, może z niego również wybić kolejne elektrony, niczym rozpędzona kula na bilardowym stole. I to właśnie te swobodne elektrony są nośnikami prądu elektrycznego błyskawic. Pozostaje jednak problem, w jaki sposób chmura regeneruje swój ładunek. Czas 5 sek. to mało, jeśli się weźmie pod uwagę skalę całego zjawiska (średnica komórki burzowej: 8-10 km, wysokość ok. 12 km). C.T.R. Wilson był w tym miejscu zmuszony założyć, że w chmurze, w której w wyniku separacji ładunków dodatnich i ujemnych wytworzyło się bardzo silne pole elektryczne, produkowane są bez przerwy jony o różnych znakach. Jest to słaby punkt tej bardzo eleganckiej przecież teorii - znane są liczne mechanizmy powstawania jonów w podobnych warunkach, ale nie wiemy praktycznie nic o tym, który z nich jest właściwy dla dojrzałej chmury burzowej. Nie sposób ostatecznie odpowiedzieć na to pytanie. Wiadomo tylko ze stuprocentową pewnością, że produktem tej elektrycznej machiny są groźne pioruny. Przyjrzyjmy się im bliżej.
Pioruny z „bliska”
Jak wykazały badania, w których jednym z głównych przyrządów była specjalnie skonstruowana kamera do bardzo szybkich zdjęć, błyskawica nie jest tworem jednolitym. Można wyróżnić kilka wyraźnych faz jej istnienia. Obserwując burzę na zdjęciach w zwolnionym tempie profesora Schonlandz uniwersytetu w Kapsztadzie zauważył, że wyładowanie zaczyna się jako tzw. zstępujący przewodnik (tzw. prekursor). Jak sama nazwa wskazuje, jest to coś co toruje drogę. I jest tak w rzeczywistości. Jest to mały jasny punkt (o jasności znacznie mniejszej, niż sama błyskawica), który odrywa się od chmury i porusza się w kierunku Ziemi. Ten ruch jest bardzo dziwny: prekursor przebiega około 50 m z szybkością równą 1/6 prędkości światła, nagle zatrzymuje się na około 50 mikrosekund, potem zmienia nieco kierunek i znów pędzi przez 50 metrów z ogromną prędkością, zatrzymuje się, zmienia kierunek, itd. Ponieważ prekursor niesie do Ziemi ładunki ujemne, wzdłuż jego drogi tworzy się "ścieżka" zjonizowanego gazu. Stwierdzono, że kiedy prekursor znajdzie się około 50-100 metrów nad ziemią, drugi, dużo jaśniejszy "przewodnik" wyrasta z gruntu, pędząc na spotkanie swojemu towarzyszowi. Natężenie pola i jonizacja powietrza jest wystarczająco duża, aby takie wyładowanie stało się możliwe (Rys. 3). Wyładowanie powrotne rozpoczyna się więc z Ziemi w kierunku prekursora. Gdy oba "pioruniki" się połączą, powstaje pomost przewodzący prąd (kanał wyładowania) i powietrze rozdziera błysk pioruna przelatującego z prędkością 100 000 km/h. Średnica kanału wyładowania rzadko przekracza 1 cm. Błyskawica może także przebiec wewnątrz chmury, a nawet pomiędzy różnymi chmurami. Wyładowanie nie dociera wtedy do ziemi i jest określane mianem błyskawicy płaskiej.
Powstawanie błyskawicy. Z lewej - tworzenie się prekursora, z prawej - rozpoczynające się uderzenie powrotne (Rys. 3)
Gdy w pobliżu prekursora znajdzie się jakiś przedmiot o ostrym zakończeniu, wyładowanie powrotne rozpocznie się właśnie od niego. A to dlatego, że ładunki gromadzą się na ostrzach. Jest to znana zasada elektrostatyki. Na podstawie własnych obserwacji każdy może potwierdzić, że pioruny uderzają najczęściej w wysokie samotne drzewa, w wieże kościołów, w kominy fabryczne, itp. Popatrzmy jednak dalej, co się dzieje, gdy prekursor "dotyka" Ziemi. W tym momencie zaczyna się lawinowy przepływ elektronów z chmury do Ziemi. Najpierw uciekają do niej elektrony najbliższe "główki" prekursora. W powstałą lukę napływają prawie natychmiast elektrony, które znajdowały się nieco dalej itd. Ruch właściwej, jasnej błyskawicy odbywa się, więc odwrotnie niż przepływ realnych ładunków tj. od Ziemi do chmury. To właśnie uderzenie powrotne, którego natężenie sięga nawet 10 000 amperów (jednostka prądu elektrycznego [natężenia prądu], jedna z podstawowych w układzie SI; jest to prąd, który płynąc w dwóch równoległych prostoliniowych, nieskończenie długich przewodach o przekroju kołowym znikomo małym, umieszczonych w próżni w odległości 1 m od siebie, wywołałby między tymi przewodami siłę 2·10-7 N na każdy metr długości.) (w gniazdku mamy tylko 5A, ale za to przez cały czas :-) jest odpowiedzialne za oślepiający błysk i ogromny huk. Huk-grzmot spowodowany jest gwałtownym rozprężeniem ogrzanego do bardzo wysokiej temperatury powietrza (ok. 30 tys. stopni). Powietrze na drodze błyskawicy zamienia się na ułamek sekundy w plazmę. Jeśli by, kto myślał, że to już koniec imprezy, to się grubo myli. Po kilku setnych sekundy od zniknięcia uderzenia powrotnego, przebiega po tej samej drodze drugi prekursor zwany ciemnym, który nie przystając już ani na chwilę niesie następną porcję ładunków ujemnych. Po nim następuje natychmiast drugie uderzenie powrotne, itd. Zdarza się często, że błyskawica składa się z jednego uderzenia powrotnego, ale bywa również tak, że jest ich kilka, a nawet kilkanaście. Bywają też takie błyskawice, które składają się z kilkudziesięciu uderzeń. Sam widziałem: przez około 5 sekund było widno jak w dzień. Często prekursor (ten pierwszy) rozgałęzia się na dwa lub więcej ramion, które gdy osiągną jednocześnie powierzchnię Ziemi, powodują, że uderzenie powrotne posuwa się wzdłuż nich wszystkich jednocześnie, Jak widać błyskawica błyskawicy nie równa, ale wszystkie sprowadzają się jednak do tego samego modelu. W dawnych czasach istniał pogląd, że można burzę odpędzić biciem w kościelne dzwony. Iluż dzwonników przypłaciło to błędne mniemanie swoim życiem!
Jak powstaje piorun kulisty ?
Pojawia się nagle, zwykle podczas lub tuż po burzy. Ma kształt płonącej kuli, mieni się jasnym, choć nie oślepiającym światłem barwy czerwonej, pomarańczowej, żółtej lub białej. Rzadziej jest zielony lub błękitny. Jest najczęściej wielkości brzoskwini lub piłki do koszykówki, choć obserwowano też takie o średnicy centymetra oraz kilku metrów. Rozpada się po kilku lub kilkudziesięciu sekundach. Czasem przy tym głośno grzmi, jak zwykły piorun, a czasem nic się nie dzieje - znika bez śladu. Najdziwniejszy jest sposób, w jaki się porusza. Piorun kulisty najczęściej leci poziomo nad powierzchnią Ziemi, kilka metrów na sekundę. Lubi nagle i przypadkowo zmieniać kierunki, a zdarza się, że zastyga na krótki czas w miejscu.
Piorun kulisty
Piorun kulisty to zjawisko zachodzące w ziemskiej atmosferze i charakteryzujące się kulistym kształtem. Próby jego wyjaśnienia podejmowano od setek lat. Jeden z pierwszych eksperymentów przeprowadził Nikola Tesla w 1899 roku w górach Kolorado. Wielu naukowców po nim próbowało także rozwikłać tę zagadkę. Profesor James Tuck, jeden z konstruktorów bomby atomowej, w Los Alamos podczas swojego eksperymentu wysadził w powietrze barak przy pomocy urządzenia własnej i współpracowników konstrukcji, które wykorzystywało zbędne baterie z łodzi podwodnych. Generator wielkich mocy, który skonstruowali, oprócz spowodowania wybuchu wygenerował kule ogniste, które (jak twierdzą naukowcy) zostały zarejestrowane na taśmie video. W 1990 roku dwoje uczonych z Ohio, K.L. Corum i J.F.Corum, przeanalizowało ponownie prace Tesli z 1899 roku, a także zapoznało się z badaniami, jakie w Związku Radzieckim przeprowadzał B.M. Smirnow. Profesor Tuck trzydzieści lat temu wysunął teorie, ze może tu wchodzić w grę pewien rodzaj magazynowania energii chemicznej, a rosyjscy uczeni się z tym zgodzili. Od 1988 roku Corumowie zaczęli wytwarzać małe pioruny kuliste na zamówienie, stosując prąd o wysokim napięciu i częstotliwości radiowej. Fotografowali je i zarejestrowali na filmie video.
Pioruny liniowe
Scharakteryzować piorun liniowy jest stosunkowo łatwo, dlatego, że jest to bardzo powszechne zjawisko. Zapewne każdy się z tym spotkał - burze z wyładowaniami elektrycznymi nie są rzeczą niezwykłą. Widok jasnej wstęgi na niebie nie jest chyba nikomu obcy, więc większość z nas wie jak wygląda iskra pioruna. Świecący kanał jest skutkiem przepływu ładunków (prądu elektrycznego), który ma na celu wyrównać potencjały między chmurą a ziemią. Błyskawicy (efekt wizualny) towarzyszy efekt dźwiękowy, zwany grzmotem, który jest powodowany przez rozprężanie się gazów w kanale piorunowym. Piorun to zjawisko bardzo gwałtowne, bardzo groźne dla istot żywych (w tym i dla człowieka), ale także bardzo piękne. Powstaje podczas burz i może uderzać od chmury w ziemię lub, szczególnie, jeśli jest wysoki obiekt lub wzniesienie, od ziemi do chmury. Występują także wyładowania między chmurami i w obrębie jednej chmury, mają one jednak mniejszą energię niż te zwykłe miedzy chmurą a ziemią. Powietrze jest złym przewodnikiem prądu, więc piorun szuka najkrótszej drogi do ziemi, wybiera zatem najwyżej położone punkty i dobre przewodniki (maszty, dzwonnice, samotne drzewa, wieże kościelne, słupy energetyczne itp.). Nie jest to jednak zasada, bo piorun może uderzyć w pozornie bezpieczne miejsce. Zwłaszcza, gdy porusza się pod kątem do powierzchni ziemi (może wtedy porazić nawet podstawę wysokiego masztu). Ten czasem nawet poziomy ruch pioruna tłumaczy się tym, że przeskok iskry następuje kanałem najmniejszego oporu elektrycznego, a powietrze nie jest jednorodne i w różnych miejscach przewodzi prąd inaczej (przewodnictwu sprzyjają zanieczyszczenia, pyły, silna struga deszczu). Nieprawdą jest natomiast pogląd, że metale lub wysoko położone punkty ściągają pioruny.
Pioruny łańcuszkowe
W przypadku piorunów liniowych można pisać dużo bo nie tylko wiemy jak powstaje całe zjawisko, ale mamy ich tysiące zdjęć i możemy nawet próbować je wytwarzać laboratoryjnie w celu dokładniejszego poznania. W przypadku piorunów kulistych nie jest już tak dobrze. Nie, a o generowaniu w warunkach laboratoryjnych nawet nie ma mowy. Jedyne co mamy to sprawozdania świadków, z których wyciągane są jedyne wnioski. W przypadku wyładowań snopiących jest dobrze bo wiemy o nich prawie wszystko. Odmienna sytuacja przedstawia się jeśli spojrzymy na sprawę piorunów paciorkowych: nie mamy ani wielu obserwacji, ani zdjęć, ani żadnych innych dowodów na poparcie ich istnienia - niektórzy z was mogą nawet wątpić w istnienie takich piorunów.
Utrzymuje się, że wyładowania paciorkowe, zwane inaczej łańcuszkowymi, widoczne są w postaci łańcuszka - oddzielonych punktów lub odcinków świetlnych (spotkałem się z opisem podwójnego pioruna kulistego z łańcuszkiem; pioruny kuliste (dwie kule) były połączone szeregiem małych kuleczek, jakby łańcuszkiem, sam nie jestem pewien do jakich wyładowań to zaliczyć - do kulistych, czy do paciorkowych). Zazwyczaj powstanie pioruna perełkowego jest zapoczątkowane wyładowaniem liniowym, które pozostawia po sobie szereg świecących części. Przerywana linia pioruna łańcuszkowego ma przeważnie większą średnicę niż kanał pioruna liniowego, a jej kolor oscyluje pomiędzy żółcią, a czerwienią. Oto relacja z obserwacji tego niecodziennego zjawiska, którą przedstawił pracownik Instytutu Elektrotechniki w Warszawie.
Dżety i Sprajty
Nowo odkryte zjawiska. Zostały one zaobserwowane przez pilotów latających ponad pułapem chmur burzowych. W przeciwieństwie do znanych nam wyładowań (pioruny) dżety i sprajty strzelają do góry! Dżety to błękitne stożki sięgające 36 km w górę, przemieszczające się z prędkością 100 km/s. Sprajty przypominają zaś swoim wyglądem duże czerwone "meduzy" z zielonymi mackami skierowanymi do dołu. Sięgają wysokości 90 km w górę. Widoczne przy pomocy bardzo czułych kamer. Występują nad wyładowaniami liniowymi, choć nie każde wyładowanie tworzy sprajta.
CIEKAWOSTKI
Jak daleko jest burza?
Można określić, w jakiej odległości trwa burza z piorunami, mierząc czas miedzy rozbłyskiem a pierwszym grzmotem. Każde pięć sekund to dystans około 2 km. Tajemnicę błyskawic rozwikłał amerykański uczony i polityk Benjamin Franklin, który udowodnił, iż jest to wyładowanie elektryczne. W lipcu 1752 roku wypuścił w kierunku chmury burzowej sporządzony z jedwabnych chusteczek latawiec. Do końca jego linki przymocował metalowy klucz, a gdy przybliżał do niego rękę, między nią a kluczem przeskakiwała iskra elektryczna. W roku 1909 szwedzki uczony Engelstad stracił życie próbując powtórzyć eksperyment Franklina Kiedy z przerażającym hukiem błyskawica dosięga ziemi, stapia wszystko, co tylko znajduje się obok. (Temperatura w miejscu uderzenia sięga 30.000 stopni Celsjusza. W każdym momencie nad światem szaleje 1800 burz, między którymi istnieją związki powodujące, że jeśli jedna burza cichnie to druga rodzi się w odległości 1500 km. Co minutę razi Ziemię 6000 gromów, a każdego dnia co 1sek. w ziemię uderza do 100 piorunów. Każdy z nich może być wywołany różnicą potencjałów równą 100 mln V....)- przypomnienie
Jak należy się chronić przed porażeniem pioruna?
Piorun liniowy sięgający ziemi stanowi zagrożenie dla ludzi i budynków oraz dla urządzeń naziemnych. Jako ochronę przed uderzeniem pioruna stosuje się tzw. piorunochrony lub odgromniki. Błyskawice trafiają w miejsca o najmniejszym oporze elektrycznym, najczęściej w drzewa, wzgórza i wysokie budynki. Dlatego najgorszym miejscem do schronienia się przed burzą jest wysokie, odosobnione drzewo! Nie jest ono tak dobrym przewodnikiem elektryczności, jak ludzkie ciało, więc gdy błyskawica uderza w nie, może porazić chroniącą się pod nim osobę. Jeżeli błyskawica uderza w wilgotny przedmiot - na przykład drzewo czy ścianę - wówczas natychmiastowe wrzenie wilgoci powoduje tak gwałtowne rozszerzanie się pary, że wydaje się, iż przedmioty te eksplodują, jak gdyby uderzył w nie masywny pocisk. Na poważne niebezpieczeństwo narażeni są ludzie pracujący lub uprawiający sporty pod gołym niebem. Trzymając w rękach metalowy przedmiot - kij golfowy, parasol, grabie czy widły - zwiększają prawdopodobieństwo trafienia przez błyskawicę. Może ona spowodować straszliwe oparzenia, poważnie uszkodzić ważne organy, a nawet zatrzymać pracę serca. Na szczęście ginie tylko co czwarty człowiek porażony gromem.
Pamiętaj (zasady bezpieczeństwa podczas burzy)
należy pozostawać w domu podczas burzy i nie wychodzić chyba że jest to naprawdę konieczne,
trzymaj się z daleka od piecy, wentylatorów i innych urządzeń elektrycznych podłączonych do prądu,
nie używaj telefonu,
nie używaj przedmiotów takich jak wędki, kije golfowe,
nie przenoś łatwopalnych materiałów w otwartych pojemnikach,
nie przebywaj w wodzie jak i w małych łódkach,
zostań w samochodzie gdy jesteś w trakcie podróży; samochody są jednymi z bezpieczniejszych miejsc do ukrycia się; w przypadku uderzenia pioruna, prąd spłynie po karoserii, nie penetrując wnętrza,
poszukaj schronienia w budynku, jaskini, kanionie, jeśli nie ma w pobliżu schronienia należy unikać wysokich obiektów w okolicy,
kiedy czujesz ładunki elektryczne w powietrzu, gdy włosy stają ci dęba, przykucnij szybko na ziemę, ponieważ błyskawica może cię trafić, poszukaj obniżeń terenu (wąwóz, dolina). Trzymaj się z dala od obiektów metalowych, jak np. siatki, słupy i pozbądź się metalowych przedmiotów, jakie masz ze sobą.
osoby przebywające w większej grupie powinny się rozproszyć,
w żadnym wypadku nie kładź się na ziemi.
Śmierć przez porażenie
Porażonym może zostać każdy, kto podczas burzy przebywa na świeżym powietrzu. Najbardziej narażeni są ludzie i zwierzęta na otwartej przestrzeni, wtedy, gdy są najwyższym punktem w okolicy. Gdy dojdzie do bezpośredniego uderzenia w człowieka szanse na przeżycie maleją prawie do zera, ale istnieją wyjątki. Czasami piorun powoduje zwęglenie ciała, ale bardzo rzadko. Ci, którzy przeżyli bezpośrednie uderzenia pioruna mówią, że zostali przeniesieni na kilka lub kilkanaście metrów, dodatkowo obróceni wokół własnej osi kilka razy. Oprócz tego w miejscu, w którym stał porażony często pojawiają się wypalone ślady, które nie zarastają trawą przez kilka lat. Bezpośrednim skutkiem jest także utrata obuwia, które zostaje spalone lub rozerwane.
Główną przyczyną śmierci porażonego jest nieudolność pracy serca po przepływie silnego prądu. Przepływ przez ciało prądu pioruna powoduje szok, na który ludzkie serce reaguje migotaniem komór. Jest to nieregularne i szybkie drganie mięśnia sercowego, co (jeśli nie zostanie zastosowany masaż serca) w końcu powoduje ustanie pracy serca. Na przywrócenie poprawnej akcji serca i oddechu jest mało czasu - kilka minut, im dłużej nie zastosowana została pierwsza pomoc, tym mniejsze szanse na przeżycie.
Zdarzają się przypadki poważnego uszkodzenia ciała np. rozerwania tkanek, słabego uszkodzenia np. krzaczaste ślady na skórze lub w ogóle nie ma żadnych widocznych uszkodzeń, a człowiek nie żyje. Wszystko to zależy od parametrów pioruna (np. natężenie i napięcie prądu). Zdarzył się kiedyś przypadek, gdy mężczyzna trafiony przez piorun stracił przytomność i... ubranie. Gdy się ocknął nie miał odzienia (zostało spalone przez piorun) i spokojnie wrócił do domu.
Co jednak w piorunie zabija? Większość ludzi uważa, że to napięcie prądu elektrycznego. Jest to nieprawda bo czynnikiem ważniejszym jest natężenie prądu. Prąd o napięciu tysięcy Voltów, a małym natężeniu nie czyni żadnej krzywdy ani bólu. a z kolei prąd w sieci elektrycznej (220V) jest śmiertelnie groźny bo ma duże natężenie. Dawniej, gdy kogoś uderzył piorun zakopywano go do ziemi, aby ona wyciągnęła z poszkodowanego elektryczność. Był to oczywiście zabobon i głupi przesąd, który pozostawiał małe szanse człowiekowi bo elektryczności już w nim nie było, prąd płynął jego ciałem tylko przez ułamek sekundy. Był także inny przesąd: dzwoniono na wsiach w dzwony, a ponieważ zwykle dzwonnice były stosunkowo wysokimi budynkami to ludzie tam pracujący często obrywali piorunem.
Większość porażeń są to nie bezpośrednie, ale częściowe, gdy przez ludzkie ciało przepływa tylko część prądu pioruna. Takie przypadki występują, gdy piorun uderzy w drzewo, pod którym schroniła się jakaś osoba. Wtedy większość prądu spływa do ziemi przez pień drzewa, ale nawet ten mały ułamek natężenia prądu pioruna może zabić. W ogóle to co trzecie porażenie występuje pod drzewem. Kiedyś w USA zdarzył się tragiczny przypadek, kiedy to cała klasa małych dzieci (chyba ok. 30 10-letnich dzieci wraz z nauczycielką) schroniła się pod wielkim drzewem przed burzą. Zginęło wtedy kilkanaścioro dzieci, a wszystkie doznały potężnego porażenia (piorun był bardzo silny). Dlatego nie należy stawać w czasie burzy pod wysokimi drzewami, na wzniesieniach, na szczytach górskich, pod masztami.
Poważnym porażeniom mogą też ulegać zwierzęta hodowlane, które pasą się w czasie burzy. Oczywiście jak wszystko mogą paść ofiarą bezpośredniego uderzenia, ale pewien rodzaj porażeń - porażenia krokowe - są szczególnie niebezpieczne dla zwierząt o dużym rozstawie nóg. Ponieważ prąd pioruna po uderzeniu w ziemię rozchodzi się we wszystkich kierunkach m. in. po powierzchni ziemi i słabnie wraz ze zwiększającą się odległością od miejsca uderzenia (po prostu im dalej tym słabszy prąd na powierzchni ziemi), to nogi tylne i przednie np. krowy mogą stać w miejscach o różnych wartościach natężenia prądu, co w wyniku spowoduje przepłynięcie prądu przez krowę i jej porażenie. Dlatego podczas burzy zaleca się chodzenie małymi krokami - wtedy porażenie krokowe będzie słabsze.
Bibliografia:
1. Internet:
- WWW.WP.PL
HTTP://ENCYKLOPEDIA.INTERIA.PL
2. Książki:
„Świat wiedzy”
Encyklopedia PWN
Encyklopedia Polonica
3. Encyklopedia multimedialna
„Fogra”
„Multimedialna encyklopedia PWN”
Spis treści
Burze- informacje ogólne......................................................................................2 str.
Burze- jak powstaje burza?....................................................................................3 str.
Burze- rodzaje burz................................................................................................3 str.
Pioruny...............................................................................................................4-5 str.
Benjamin Franklin.................................................................................................6 str.
Wilson Charles Thomas Rees..................................................................……......6 str.
Teoria Wilson`a.............................................................................. ...................6-8 str.
Pioruny z „bliska” .............................................................................. ..............8-9 str.
Jak powstaje piorun kulisty?..................................................................................9 str.
Piorun kulisty.......................................................................................................10 str.
Piorun liniowy................................................................................................10-11 str.
Piorun łańcuszkowy.............................................................................................11 str.
Dżedy i sprajty.....................................................................................................11 str.
Ciekawostki: ..................................................................................................12-14 str.
Jak daleko jest burza?..........................................................................................12 str.
Jak należy się chronić przed porażeniem pioruna?..............................................12 str.
Pamiętaj (zasady bezpieczeństwa podczas burzy).........................................12-13 str.
Śmierć przez porażenie..................................................................................13-14 str.
Bibliografia..........................................................................................................15 str.
Spis treści.............................................................................................................16 str.
15
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
otyłość i cukrzyca dla pielęgniarek na piątek
,fizyka 1 C, dzialania na wekto Nieznany (2)
więcej podobnych podstron