PIORUNY – ciekawe zjawiska atmosferyczne PROJEKT GIMNAZJALNY 2013/14 Julia Bańbura - Sylwia Całka - Magdalena Kuźniar - Karolina Lech - Sławomir Rejman – Robert Techman OPIEKUN: Jolanta Lepianka

Pioruny-ciekawe zjawiska atmosferyczne

Co to jest piorun?

Piorun sam w sobie jest przepływem energii elektrycznej Piorun sam w sobie jest przepływem energii elektrycznej. Elektrostatyczny przeskok iskry pomiędzy dwoma ciałami na mniejszą skalę obserwujemy na co dzień. Jeśli naładowani poprzez tarcie dywanu lub innego materiału zbliżymy dłoń do metalowego przedmiotu doświadczymy, że pomiędzy dłonią a przedmiotem przeskoczy iskra. Dzieje się tak bo jesteśmy naładowani ładunkami, a one mając w pobliżu miejsce obojętne elektrycznie, lub naładowane przeciwnymi ładunkami wywołują w powietrzu wyładowanie elektryczne.        Im więcej ładunków nagromadzonych i im większa różnica ładunków występujących na przedmiotach - tym na większą odległość może przeskoczyć iskra. Dużą rolę w tym zjawisku odgrywa wilgotność i kształt: wilgotność powietrza - im większa tym łatwiej dochodzi do wyładowania; kształt przedmiotu - rozmieszczenie ładunków zależy od krzywizny przedmiotu (ładunki gromadzą się głównie na ostrzach i kształtach wypukłych). W obwodzie elektrycznym w którym płynie prąd możemy wyróżnić następujące wielkości: a)napięcie prądu elektrycznego (oznaczenie U jednostka Volt [V]) b)natężenie prądu elektrycznego (oznaczenie I jednostka amper [A] c)rezystancja(opór elektryczny) [R] jednostka "om" symbok jednostki Ω) d)moc prądu [P] jednostka "wat" symbol jednostki "W" e)praca prądu [W] jednostka dżul(symbol [J] lub [kWh] f)częstotliwość pracy prądu [f] jednostka herc [Hz]

W jakich warunkach powstaje piorun?

Pioruny w przyrodzie powstają w wyniku nagromadzenia się ładunków elektrycznych w chmurach. W pierwszej fazie następuje gromadzenie się ładunków w dolnej części chmury na skutek zderzeń kryształków lodu znajdujących się wewnątrz chmury. Napięcie zapłonu jest rzędu 1000000 V. Taki potencjał chmura wytwarza w ciągu pół godziny dzięki silnym, wstępującym i zstępującym prądom powietrza. W chmurze burzowej występują duże krople deszczu, bryłki gradu i lodu. Wędrują one, zderzają się, a rozpadając się na mniejsze wytwarzają ładunki elektryczne. Cząstki spadające zyskują ładunek ujemny, zaś unoszące się - ładunek dodatni. W związku z tym ładunki ujemne gromadzą się w dolnej części chmury, z kolei dodatnie - w górnej. Zgodnie z regułami fizyki, w polu elektrycznym ujemne elektrony zaczynają się przesuwać się w kierunku źródła ładunków dodatnich, zaś dodatnio naładowane jądra wolą np. elektrodę, ziemię lub część chmury naładowaną ujemnie. Jeżeli ładunki natrafią na przeszkodę gromadzą się aż powstała różnica potencjałów pozoli uzyskać na tyle dużą energię by przebić się przez przeszkodę. Może to być wyładowanie pomiędzy różnymi chmurami, między różnymi obszarami jednej chmury, ziemią lub wodą.

Elektrony zaczynają poruszać się w kierunku ziemi tworząc tzw Elektrony zaczynają poruszać się w kierunku ziemi tworząc tzw. wyładowanie pilotujące (to wyładowanie porusza się małymi odcinkami rzędy 30 metrów). Jeżeli jest wystarczająco duże natężenie pola elektrycznego (ponad 100V/cm) to nastąpi rozwój wyładowania głównego. Po przebyciu kilkudziesięciu metrów wyładowanie zatrzymuje się na milionową część sekundy, pokonuje kolejne kilkadziesiąt metrów, zatrzymuje, itd. Strumień ten jonizuje powietrze przed sobą, by zmniejszyć elektryczny opór powietrza. Początek 'pilota' porusza się z prędkością 10000-100000 km/s (średnio 30000km/s) i nie dosięga zwykle ziemi. Następnie po tym samym kanale, co wyładowanie pilotujące, od chmury wybiega wyładowanie określane jako wstępne. Porusza się ono też przerywanym ruchem, ale z prędkością ok. 10 000 km/s. Teraz świecenie kanału jest intensywniejsze. To wyjątkowo jasne wyładowanie zaczyna biec kanałem w górę i przenosi do chmury prądy dodatnie zwane powrotnymi. Potem następują kolejne wyładowania wstępne oraz powrotne, wykorzystujące ten sam zjonizowany kanał. Cykl powtarzany jest kilkakrotnie w ciągu ułamka sekundy, dopóki ładunki w chmurze nie zostaną zobojętnione. Wyładowanie zanika - podobnie, jak i wyładowanie wstępne, które się powtarza aż do momentu, gdy dotrze w pobliże powierzchni ziemi (około 50 m nad ziemią). Wtedy z powierzchni ziemi wybiega krótka iskra, która dosięga iskrę wstępną. Gdy się połączą następuje przepływ prądu elektrycznego w kanale wyładowania głównego od ziemi do chmury. Powietrze rozdziera błysk pioruna przelatującego z prędkością 100 000 km/h. Natężenie płynącego prądu może sięgać dziesiątek tysięcy amperów i stanowi śmiertelne zagrożenie.

Wielkości charakteryzujące piorun jako prąd elektryczny

Wyładowanie główne niesie ze sobą prąd o napięciu 10 do 100 milionów  V i natężeniu od 30 do 50 kA, ale zdarzają się i wyładowania  wytwarzające 150 kA. W czasie uderzenia przepływa ładunek rzędu 5 kulombów , a całkowita energia odpowiada 140 kWh (504 MJ). Taka ilość energii wystarczyłaby, aby żarówka o nocy 100 W świeciła się przez 2 miesiące. Odpowiada to również energii wybuchu 122 kg trotylu. Średnie dane dotyczące piorunów mogą się różnić zależnie od warunków atmosferycznych typowych dla danego klimatu.

Rodzaje piorunów

Wyróżniamy trzy rodzaje piorunów Wyróżniamy trzy rodzaje piorunów. Piorun liniowy jest najpowszechniej występującym piorunem w przyrodzie. Występuje w postaci świecącej linii prostej, która może się rozgałęziać. Drugim rodzajem jest piorun kulisty, piorun przypominający kształtem kulę niewielkich rozmiarów. Zjawisko to występuje bardzo rzadko. Piorun tego rodzaju porusza się w różnych kierunkach i wydaje syczący lub warczący dźwięk. Zjawisko to trwa kilka, kilkanaście sekund. Trzecim rodzajem piorunów jest piorun paciorkowy najmniej znamy wyglądem przypomina łańcuszek składający się z oddzielnych punktów świetlnych.

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

Pioruny Kuliste Są bardzo rzadko spotykanymi kulami rozżarzonego gazu (o średnicy od kilku centymetrów do kilku metrów). Kule te znajdują się w ruchu obrotowym. Powstają w przestrzeni między dwoma błyskawicami biegnącymi blisko siebie w przeciwnych kierunkach. Wir podtrzymuje równowagę sił między ciśnieniem zewnętrznym wywieranym przez powietrze i siłą odśrodkową ruch obrotowego gazu. Równowaga utrzymuje się do momentu, kiedy do środka świecącej kuli gazowej przeniknie powietrze z zewnątrz. Gdy to nastąpi, wówczas piorun kulisty eksploduje z hukiem zaś ładunek elektryczny przepływa do Ziemi przez przypadkowy przewodnik powodując np. porażenie organizmów żywych i pożar. Prawie połowa zaobserwowanych piorunów kulistych posiadała ogon, wydzielała iskry lub ogniste języki. Piorun kulisty daje światło koloru czerwonego, pomarańczowego żółtego lub zielonego i porusza się z prędkością około 2 m/s, na ogół przy ziemi, i reagując na ruch powietrza, zmienia kierunek lotu.

Pioruny paciorkowe Są widoczne w postaci oddzielnych punktów świetlnych najczęściej w miejscu wyładowania liniowego i koloru czerwonobrunatnego.

Częstotliwość występowania piorunów na Ziemi

Największą liczbę wyładowań atmosferycznych notuje się na równiku gdzie mamy klimat tropikalny. Szczególnie duża liczba burz notowana jest w środkowej Afryce. Najbardziej burzowym rejonem jest Indonezja. W rejonie wyspy Jawa pioruny biją średnio 322 dni w roku. Istnieje zróżnicowanie regionalne co do ilości burzowych dni w ciągu roku i rocznej liczby uderzeń pioruna na kilometr kwadratowy. Dla potrzeb norm krajowych postanowiono nie rozpatrywać poszczególnych rejonów kraju, ale prognozować zagrożenie piorunowe dla większych obszarów. Na podstawie długoletnich obserwacji, przyjęto, iż w Polsce występuje 25 dni burzowych w roku na terenach południowo-zachodnich oraz 20 dni burzowych w roku w pozostałej części kraju. Uwzględniając ilość dni burzowych, można określić roczną liczbę uderzeń pioruna na 1 km2. Wartości te wynoszą odpowiednio 1,8 uderzenia dla terenów o szerokości geograficznej powyżej 51°30' oraz 2,5 uderzenia dla pozostałej części kraju. Istnieją miejsca na Ziemi (np. Wyspa Jawa), które mają średnio 222 dni burzowe w roku, ale występują tam też lata, w których jest ich aż 322. W Polsce rocznie jest ok. 36, a na wybrzeżu Kalifornii do 8 dni burzowych. Rocznie na świecie porażonych przez pioruny jest kilka tysięcy osób, dziennie kilkudziesięciu. Cały czas nad powierzchnią ziemi szaleje ponad 40 tys. burz. W czasie burzy na naszych terenach pojawia się średnio 65 piorunów na godzinę, a w rejonach tropikalnych nawet 10 000 na godzinę. W każdej chwili na całym świecie ma miejsce 3000 do 5000 burz, każda z nich wytwarza energię bomby wodorowej. W każdej sekundzie 100 piorunów uderza w ziemię.

Ochrony obiektów przed piorunami

  Urządzeniem zabezpieczającym budynki przed uderzeniem pioruna jest piorunochron zwany dawnej odgromnikiem. Piorunochron został skonstruowany przez Beniamina Franklina. Przez wiele lat zajmował się on badaniami nad zjawiskiem elektryczności i udowodnił, że piorun jest rodzajem takiego zjawiska. Prototyp piorunochronu zainstalował najpierw na swoim domu. Potem urządzenia te były coraz powszechniej montowane w wielu domach w Filadelfii.     Do Polski piorunochrony dotarły pod koniec lat 70-tych osiemnastego wieku. Pierwszy został zainstalowany w Warszawie w 1778 roku. Jako jeden z pierwszych obiektów w odgromnik został zaopatrzony Zamek Królewski w Warszawie. Pojawiły się również rozmaite poradniki dotyczące tego jak własnoręcznie budować piorunochrony i co robić w razie porażenia piorunem.      Zadaniem piorunochronu jest odprowadzanie wyładowania elektrycznego do ziemi. Dlatego jeden z elementów tego urządzenia musi stanowić metalowy pręt instalowany w najwyższym punkcie budynku. Pręt taki musi być połączony przewodem z metalowa płytą umieszczoną pod powierzchnią ziemi.      Piorunochron jest ważnym elementem ochronnym każdego budynku, szczególnie wolno stojącego. Trzeba zdawać sobie sprawę, że brak takiej ochrony może zakończyć się porażeniem lub pożarem.

Zasada działania piorunochronów

Co powinniśmy robić w chwili zagrożenia piorunem

Istnieją podstawowe zasady bezpieczeństwa , których należy przestrzegać będąc poza domem podczas burzy. Przede wszystkim należy pamiętać , aby nie pozostawać w dużych grupach na otwartych przestrzeniach. Poza tym nie można szukać schronienia pod drzewami ani w pobliżu zbiorników wodnych. Należy także pozbyć się wszystkich przedmiotów z metalu, ponieważ ściągają one wyładowania elektryczne. Przestrzeganie tych zasad zminimalizuje ryzyko porażenia piorunem i pozwoli na podziwianie piękna tego niebezpiecznego zjawiska. Osoba przebywająca na otwartej przestrzeni powinna znaleźć pomieszczenie, budynek, ziemiankę i ukryć się w nim. Z braku innej możliwości schronić się w zagłębieniu terenu, nie kłaść się na ziemi. Najbezpieczniej jest ukucnąć ze złączonymi i podciągniętymi do siebie nogami, ponieważ po uderzeniu pioruna, w wyniku rozpływu ładunku w postaci prądów powierzchniowych, może dojść do przepływu prądu między stopami poprzez ciało ofiary (skutek powstania różnicy napięć, tzw. napięcia krokowego. Należy odrzucić lub położyć na ziemi duże przedmioty metalowe przewodzące prąd. Trzeba również oddalić się od zbiorników i cieków wodnych (podobnie połacie wilgotnego mchu stanowią zagrożenie). Osoby znajdujące się w górach powinny niezwłocznie zejść ze szczytów i grani, około 100 metrów niżej, najlepiej na stronę zawietrzną (przeciwną do kierunku zbliżania się burzy). Mogą one usiąść na plecakach (nie na stelażu!), tak aby odizolować się od podłoża i zabezpieczyć przed wtórnym porażeniem od prądów powierzchniowych. Próbując kryć się w jaskiniach lub wnękach trzeba uważać, aby nie znaleźć się w miejscach, w których można stać się "pomostem" dla przepływających prądów (np. wejścia jaskiń, wąskie lub niskie groty). Strop powinien znajdować się co najmniej 3 metry nad nami, a ściany 1 metr od nas. Nie można dotykać wysokich, pionowych ścian skał. Bardzo dobrymi miejscami na schrony są wnętrza klatek, kratownic (w tym i masztów), wagoników kolejki górskiej.

Spotkania człowieka z piorunem – ciekawe historie

Młody turysta z Jarosławia miał spotkanie z piorunem podczas jednej ze swych wędrówek. - Burza zaskoczyła mnie daleko od domów - opowiada.- Schowałem się w drewnianej wiacie i nagle uderzył w nią piorun. Zaczęła się palić, a ja nie mogłem się poruszyć. Mięśnie odmówiły mi posłuszeństwa. Dopiero po chwili udało mi się wstać i uciec. Dwa tygodnie spędziłem w szpitalu. Leczono moje oparzenia. Jeśli chodzi o inne obrażenia to mogę tylko powiedzieć, że u tych, którzy przeżyli taki przypadek, część dawnego życia umiera - opowiada młody turysta. Bliskie spotkanie z gromem przeżyła też Bernadetta Petrykowska z Horyńca Zdroju. - Stałam przy zlewie w kuchni - opowiada. - Okno było otwarte. Błyskało się, ale nie zwracałam na to większej uwagi. Wtem piorun uderzył w drzewo przy samym domu. Słup ognia odrzucił mnie pod przeciwległą ścianę. Nic mi się nie stało, ale bardzo się przestraszyłam.

Czy można stworzyć piorun ?

Próby sztucznego wytworzenia pioruna kulistego zawiodły i żadnemu fizykowi na świecie nie udało się go stworzyć, aczkolwiek sukces w tej dziedzinie stanowiłby, oczywiście, olbrzymi krok do przodu, jako że można by wówczas wytwarzać je w laboratorium i przeprowadzać z nimi eksperymenty. Należy więc uznać za wielki sukces fakt, że dwóm inżynierom elektrykom, Kennethowi i Jamesowi Corumom ze stanu Ohio, udało się ostatnio wytworzyć w kontrolowanych warunkach w sposób powtarzalny takie elektryczne kule ogniste w różnych pięknych kolorach. Równie zaskakujące jest podanie przez nich, że wskazówki pozwalające na uzyskanie tego zjawiska są powszechnie dostępne od ponad stu lat i zapisane w notatkach legendarnego fizyka z przełomu stulecia, dr. Nicoli Tesli. To właśnie interpretacja notatek Tesli z Colorado Springs z roku 1899 dokonana przez Corumów przywróciła ludzkości to, co od lat było niedostrzeganym sekretem. Jak gdyby tego było mało, kolejną niespodziankę stanowi oświadczenie braci Corum mówiące, że wytworzenie pioruna kulistego jest stosunkowo proste i łatwe i że konieczna do tego celu aparatura jest niedroga i już istnieje w wielu amatorskich pracowniach entuzjastów fizyki oraz w niezliczonych laboratoriach wydziałów nauk matematyczno-fizycznych college’ów na całym świecie. Jak się zapewne wszyscy domyślają, chodzi tu o cewkę Tesli.Komentując wytworzenie pioruna kulistego w laboratorium, James Corum stawia ten problem, poprzednio traktowany jako technicznie skomplikowany, w rzędzie interesujących opracowań na poziomie wiadomości szkoły średniej!Podczas gdy produkcja kuł ognistych jest poza zasięgiem niefachowców, studenci i fizycy amatorzy, którzy wyspecjalizowali się w zgłębianiu intrygujących wynalazków Nicoli Tesli, nie powinni mieć problemu ze zmontowaniem odpowiedniej aparatury mając dostęp do przeciętnie wyposażonego warsztatu. Stosowane w nim urządzenie – cewka Tesli, których wiele zostało zbudowanych w warunkach domowych przez elektryków hobbystów – stanowi popularne wyposażenie wydziałów fizyki wielu college’ów i uniwersytetów.