„Ciekawe zjawiska – pioruny”

Co to jest piorun?

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).

Warunki powstawania piorunów.

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 pozwoli 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.

Wielkości charakteryzujące piorun jako prąd elektryczny.

-Napięcie: Napięcie między chmurą, a ziemią (dla pioruna ok. kilometrowego) ma wartość kilkuset milionów voltów [V], czyli kilkuset megavoltów [MV] (nie jest to jednak stała wartość, bo zależnie od panujących w danej chwili warunków atmosferycznych [obfitość deszczu, zanieczyszczenie, temperatura i ciśnienie powiertrza] może być mniejsza lub większa). Dla porównania w naszych gniazdkach elektrycznych znajduje się 220-230 V, w telefonie ok. 40 V, w sieci tramwajowej 600 V, a w liniach wysokiego napięcia do 4 500 000 V (4,5 MV). -Natężenie: Także natężenie prądu pioruna jest astronomiczne - przeciętnie 20 000 A (amperów), ale występują także silniejsze natężenia - do 250 000 A, a nawet do 500 000 A. Mając napięcie i natężenie (odpowiednio:100 000 000 V i 10 000 A) otrzymujemy średnią moc pioruna - 1 000 000 000 000 W (watów), czyli 1 TW (terawat). Jest to moc niewyobrażalnie wielka, która niszczy wszystko, nawet izolatory w liniach elektrycznych wysokiego napięcia. -Moc: Piorun jednak niesie zwykle mało energii (jakieś 150 - 200 kWh), a to dlatego, że trwa niezwykle krótko.

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.

Piorun liniowy

Piorun kulisty

Piorun paciorkowy

Częstotliwość występowania 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.

Jak postępować w chwili zagrożenia?

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.

Ochrona obiektów.

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.

„Spotkanie z piorunem”

Gwałtowna burza zaskakuje 55-letniego Andrzeja M Gwałtowna burza zaskakuje 55-letniego Andrzeja M. i 35-letniego Krzysztofa Sz. na łące niedaleko pierwszych zabudowań Mokrej koło Jarosławia. Przed ulewą chronią się pod samotną lipą, stojącą obok drogi. W drzewo uderza piorun. Starszy mężczyzna ginie na miejscu. Młodszy traci przytomność, ale udaje mu się przeżyć spotkanie z gromem. Do wypadku w Mokrej doszło w ubiegły piątek późnym popołudniem. Uderzenie pioruna mógłby opisać tylko ocalony Krzysztof, ponieważ w pobliżu nie było nikogo. Jednak w jego pamięci zamiast wspomnień o zdarzeniu i tym, co działo się po odzyskaniu przytomności jest dziura wypełniona pojedynczymi obrazami.- Obudziłem się gdzieś po godzinie. Leżałem na trawie pod drzewem. Wszystko mnie bolało. Wsiadłem do samochodu i pojechałem do domu - Krzysztof próbuje sobie przypomnieć zdarzenia. Nie potrafi opisać, jak dotarł do domu w Przeworsku. W jaki sposób ruchliwą "czwórką” udało mu się przejechać kilkanaście kilometrów. W domu mówił coś o burzy, o koledze, piorunach i schronieniu pod drzewem. Czuł się bardzo źle. Natychmiast wezwano pogotowie. Trafił na oddział intensywnej terapii w przeworskim szpitalu. Powoli przychodzi do zdrowia. W pierwszych dniach szczególnie narzekał na bolące mięśnie, szczególnie rąk.

Podobny przypadek zdarzył się w czerwcu w ubiegłego roku w Radomiu Podobny przypadek zdarzył się w czerwcu w ubiegłego roku w Radomiu. Piorun uderzył obok trzech mężczyzn pracujących w polu. Jeden zginął na miejscu, drugiego wyładowanie atmosferyczne odrzuciło kilka metrów, jednak podniósł się o własnych siłach i wtedy zobaczył, że jego koledzy leżą na ziemi. Mieli poczerniałe ciała. Jeden z nich żył, ale był oszołomiony. Trafił do szpitala. Drugi nie dawał oznak życia. 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.

Projekt edukacyjny z fizyki: Koniec Projekt edukacyjny z fizyki: Informacje: Kamil Siedlich Maciej Czekaj Radosław Kaczmarczyk Strona internetowa i prezentacja multimedialna: Patryk Milewski Opiekun: Iwona Urbańska Zapraszamy na stronę internetową: www.pioruny_ciekawezjawiska.republika.pl