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 punktółw 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.

Rys. 1 Rozkład ładunków elektrycznych w dojrzałej chmurze burzowej

Na dnie chmury zgromadzony jest tak duży ładunek ujemny, że między nią a Ziemią powstaje ogromna różnica potencjałów rzędu 20, 30 milionów woltów (a nawet 100 milionów woltów!). Dla porównania przy pięknej bezchmurnej pogodzie różnica potencjałów między Ziemią, a górnymi warstwami atmosfery (jonosferą) wynosi około 400 tysięcy woltów. Na każdy metr wysokości przypada różnica aż około 100V. Bez obawy, nawet wysokich np. na dwa metry 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 Ziemii. 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 Ziemii. Dobrze to widzi z kosmosu satelita meteorologiczny. W każdym takim wyładowaniu przenoszony jest ładunek od 20 do 30 kulombów! 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.

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.

Rys. 2 Rozkład ładunku w spadającej kropli, która na swej drodze spotyka duże jony. Teoria C.T.R. Wilsona.

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 róznica 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 nieprzewodzące 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 nałdowaną 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 pradu 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 (a może każdy po trochu?). Nie sposób ostatecznie odpowiedzieć na to pytanie. Wiadomo tylko ze stuprocentową pewnością, że produktem tej elektrycznej machiny są groźne pioruny. Przyjrzyjmy się im bliżej.

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 wyrażnych faz jej istnienia. Obserwując burzę na zdjęciach w zwolnionym tempie prof. Schonlandz uniwersytetu w Kapsztadzie zauważył, ze 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 Ziemii. 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 Ziemii 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 Ziemii 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.

Rys. 3 Powstawanie błyskawicy. Z lewej - tworzenie się prekursora, z prawej - rozpoczynające się uderzenie powrotne

Gdy w pobliżu prekursora znajdzie się jakiś przedmiot o ostrym zakończeniu, wyłoadowanie 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" Ziemii. W tym momencie zaczyna się lawinowy przepływ elektronów z chmury do Ziemii. 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 Ziemii do chmury. To właśnie uderzenie powrotne, którego natężenie sięga nawet 10 000 amperów (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 kilkidziesięciu 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 powierzcnię Ziemii, 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 pogłąd, że można burzę odpędzić biciem w kościelne dzwony. Iluż dzwonników przypłaciło to błędne mniemanie swoim życiem! Pamiętajmy o tym chroniąc się w czasie burzy pod wysokie samotne drzewo.