Ciekawe zjawiska - Pioruny

Spis treści Co to jest piorun ? W jakich warunkach powstaje piorun ? Jakie są rodzaje piorunów ? Jak często pioruny występują na Ziemi ? Jak prawidłowo powinniśmy reagować w chwili zagrożenia piorunem ? Jak chronimy obiekty przed piorunem ? Jak wspominają ludzie ''spotkanie'' z piorunem ? Jaka jest wielkość i moc pioruna ? Czy można ''stworzyć'' piorun ?

Co to jest piorun ? Piorun – w meteorologii bardzo silne wyładowanie elektryczne w atmosferze powstające naturalnie, zwykle towarzyszące burzom. Piorunowi często towarzyszy grom dźwiękowy oraz zjawisko świetlne zwane błyskawicą. Może ono przybierać rozmaite kształty i rozciągłości, tworzyć linie proste lub rozgałęziać się do góry lub w dół. Występują błyskawice, które widoczne są jedynie jako rozjaśnienie powierzchni chmury, inne znów w ciągu ułamku sekundy przypominają swym kształtem świecący sznur pereł. Podczas uderzenia pioruna wyzwala się potężna energia. Główna jej część zostaje rozproszona w postaci ciepła w powietrzu tworzącym kanał plazmy tzn. ogrzanie i jonizacja składników powietrza w kanale, energia cieplna w większości rozprasza się, niewielka jej część przekształca się na błysk i grzmot, który słychać na odległość 16-24 km. Część pierwotnej energii elektrycznej zostaje rozładowana w punkcie uderzenia łuku elektrycznego w powierzchnię ziemi, co może być bardzo niebezpieczne dla znajdujących się w pobliżu ludzi oraz urządzeń.

W jakich warunkach powstaje piorun ? Piorun w pewnym sensie przypomina olbrzymią iskrę elektryczną. Zwykła iskra powstaje przykładowo, kiedy po przejściu paru kroków po dywanie chwytamy za klamkę. Buty trąc o dywan, zbierają zeń elektrony. Zgromadzony na ciele ładunek elektryczny jest źródłem pola elektrycznego, co sprawia, że między człowiekiem a dowolnym przedmiotem powstaje różnica potencjałów. Jeśli pole jest słabe to powietrze zachowuje się jak dobry izolator. Ale kiedy dłoń zbliżamy się do klamki natężenie lokalnie wzrasta. Gdy osiągnie wartość krytyczną, zwaną napięciem przebicia wynoszącą około 3 mln V/m, powietrze staje się przewodnikiem i następuje wyładowanie: między palcem a klamką przepływa prąd.Podczas burzy ładunki gromadzą się w podobny sposób. Rolę butów i dywanów spełniają drobiny lodu i kropelki pary wodnej, które przemieszczają się w chmurze. Nadal nie wiadomo jednak na czym dokładnie polega ten mechanizm. Drobiny zderzają się ze sobą i wymieniają ładunki, przez co przestają być obojętne. Dzięki prądom wznoszącym i grawitacji ładunki następuje separacja czyli rozdzielenie ładunków. Ładunki ujemne gromadzą się na dole chmury, a dodatnie na górze. Ujemny ładunek na dnie chmury staje się na tyle duży, że napięcie pomiędzy Ziemią a chmurą dochodzi do 100 000 000 V. Ziemia wprawdzie też ma ładunek ujemny, ale jest on tak maleńki wobec olbrzymiego ładunku ujemnego dołu chmury, że względem chmury Ziemia jest naładowana dodatnio.

W jakich warunkach powstaje piorun ? Olbrzymie napięcie między chmurą a Ziemią wytwarza pole o natężeniach wynoszących tylko 200 tysięcy V/m, a więc jest to pole za małe, aby wyzwolić przepływ ładunku podobnego do iskry, która przeskakuje, gdy dotyka się klamki. Powstawanie pioruna jest bardziej złożone i nie do końca wyjaśnione. Zauważono, że elektrony poruszające się z prędkościami bliskimi prędkości światła podczas zderzeń z cząstkami powietrza tracą mało energii i są przyspieszane przez pole elektryczne. Do rozpoczęia procesu wyładowania potrzebne są więc szybkie elektrony. Naukowcy twierdzą, że czynnikiem inicjującym wyładowanie może być promieniowanie kosmiczne, czyli wysokoenergetyczne cząstki lecące z przestrzeni kosmiczne, ewentualnie cząstki o dużej energii, powstałe z rozpadów jądrowych w atmosferze. Taka szybka cząstka zderza się w chmurze z cząsteczką powietrza (zazwyczaj tlenu lub azotu), początkując deszcz superszybkich elektronów. Elektrony te uderzają o cząstki powietrza wybijając z nich następne szybkie elektrony zwane elektronami ucieczkowymi. Pole elektryczne istniejące między chmurą a ziemią przyspiesza elektrony, inicjując lawinę elektronów ucieczkowych, które są źródłem rozbłysków gamma. Elektrony tworzą na swej drodze kanał zwany liderem krokowym lub prekursorem. Na każdym z odcinków elektrony gromadzące się w czole lidera są źródłem silnego, lokalnego pola, które przyspiesza więcej elektronów ucieczkowych. Następnie wyhamowują na skutek zderzeń z cząsteczkami powietrza emitując promieniowanie rentgenowskie. Znów na czole gromadzi się dużo elektronów i i proces powtarza się wielokrotnie, aż lider krokowy, który może się wielokrotnie rozgałęziać, dotrze do ziemi.

Jakie są rodzaje piorunów ? Jest kilka rodzajów piorunów, a tylko jeden z nich dosięga ziemi – to tak zwany piorun linowy pojawiający się na niebie w postaci długich rozgałęzionych błyskawic. Inne przebiegają pomiędzy chmurami, czasem nawet na długości kilkudziesięciu kilometrów. Nazwano je po prostu piorunami międzychmurowymi. Niedawno zaobserwowane, tak zwane krasnoludki lub duszki, rozbłyskują ponad powłoką chmur. Mogą swoim zasięgiem objąć obszar do 10000 m3. Duszki przypominają wyglądem duże czerwone „meduzy” z zielonymi mackami skierowanymi do dołu. Sięgają wysokości 90 km w górę. Pojawiają się bezpośrednio po zwykłym wyładowaniu, ale nie po każdym. Ludzkie oko nie zawsze może je dostrzec, a obserwacje prowadzone za pomocą przyrządów elektronicznych z samolotów i wież meteorologicznych nie zawsze były skuteczne, ze względu na występujące podczas wyładowań zaburzenia pól elektromagnetycznych. Ponad chmurami pojawiają się też pionowe wyładowania, o wiele słabsze od elfów. Dżety to błękitne stożki sięgające 36 km w górę, przemieszczające się z prędkością 100 km/s. Widoczne za pomocą bardzo czułych kamer. Ich natura nie jest zbadana. Pioruny perełkowe i łańcuchowe przypominają kształtem sznur świetlistych pereł lub ognisty łańcuch, tak jakby rozczłonkowaną błyskawicę liniową.

Jakie są rodzaje piorunów ? Najdziwniejsze są pioruny kuliste. Są to skupiska, jak sama nazwa wskazuje, w kształcie kul, jaskrawo świecącego zjonizowanego gazu, o średnicy najczęściej kilkudziesięciu centymetrów. Zwykle świecą żółto, choć spotykano czerwonawe, pomarańczowe czy nawet o zielonkawym odcieniu. Pojawiają się jakby znikąd i płyną w powietrzu. Mogą wpaść przez otwór do pomieszczeń, wlecieć przewodem wentylacyjnym, po czym wypłynąć bezgłośnie innym otworem. Czasem pękają z hukiem lub na trasie swojej wędrówki pozostawiają osmalone ślady. Jednak to piękne zjawisko może być śmiertelnie niebezpieczne. Może porazić prądem lub spowodować wyładowania w odbiornikach podpiętych do sieci elektrycznej. Podczas spotkania z piorunem kulistym należy stać spokojnie i nie zbliżać się do niego. Wyjątkowymi wyładowaniami są tak zwane ognie św. Elma. Są to małe i ciche wyładowania atmosferyczne, obserwowane podczas burz w pobliżu przedmiotów o ostrych krawędziach lub zakończeniach (takich jak maszty, anteny czy skały). Powodowane są silnym i nagłym wzrostem natężenia pola elektrycznego wokół tych przedmiotów. W miejscach skupienia ładunków przybierają postać małych świecących iskierek, za dnia ledwo widocznych, nocą zaś dość widowiskowych. Często towarzyszy im syczenie. Ten rodzaj wyładowań można najczęściej zaobserwować na masztach statków. Marynarze postrzegają ognie św. Elma za dobry znak, mimo iż należałoby je potraktować jako sygnał do ucieczki. Najczęściej długość pioruna waha się w granicach kilometra, ale spotkano także takie, które miały więcej niż 10 km. Zanotowany rekordzista mierzył nawet 150 kilometrów długości.

Jak często pioruny występują na Ziemi ? W Polsce burze najrzadziej pojawiają się na północnym zachodzie. W Świnoujściu w ciągu roku średnio tylko 18 dni mija pod znakiem grzmotów. Podobnie jest w innych miastach Pomorza oraz Ziemi Lubuskiej. Im dalej na południe Polski, tym burze są częstsze i bardziej intensywne. Najbardziej burzliwymi regionami w naszym kraju są Podhale i Bieszczady. W ciągu roku notuje się tam średnio nawet 34 dni z padającymi piorunami. Okazuje się, że nawet w wyższych partiach gór nie jest aż tak burzowo jak na terenach podgórskich. Jednak historyczny rekord należy właśnie do Kasprowego Wierchu. W 1963 roku niebo błyskało się aż przez 54 dni. Do dziś tego rekordu nie udało się już pobić. Polska w skali całego świata leży w strefie bardzo rzadkiego występowania burz. Nie ma się co równać do krajów tropikalnych, gdzie dzień bez burzy to dzień stracony. Do najbardziej burzowych regionów na Ziemi należy Indonezja. W rejonie miasta Bogor na Jawie pioruny biją rocznie przez średnio 322 dni

Jak często pioruny występują na Ziemi ? Tymczasem pod względem największej intensywności burz dominuje Kongo, kraj leżący w samym sercu Afryki. Ponad deszczowymi lasami w okolicach miejscowości Kifuka notuje się średnio aż 158 wyładowań atmosferycznych na kilometr kwadratowy w ciągu każdego roku. Tylko 50 wyładowań mniej rocznie występuje w północnej części Kolumbii w Ameryce Południowej. W Europie najbardziej piorunującym regionem są włoskie podnóża Alp, w Azji pioruny najczęściej biją na północy Pakistanu, w Ameryce Północnej w stanie Floryda, w Australii na północnym zachodzie kraju, a na Oceanii na filipińskiej wyspie Luzon.Natomiast najrzadziej burze występują na obszarach polarnych. W Polsce sezon burz trwa od kwietnia do września.

Jak prawidłowo powinniśmy reagować w chwili zagrożenia piorunem ? W czasie burzy nie wolno się kąpać, chodzić na spacery, stawać pod samotnie rosnącymi drzewami (prąd wyładowania przepływajacy rdzeniem drzewa doprowadza do gwałtownego odparowania znajdującej się w nim wody i w efekcie bardzo groźnego wybuchu), w pobliżu wysokich metalowych masztów, w które często uderza piorun ani w pobliżu linii elektroenergetycznych. W domu podczas burzy należy unikać korzystania z telefonów stacjonarnych przewodowych oraz urządzeń elektrycznych, przede wszystkim tych obsługiwanych ręcznie. Korzystanie z tych urządzeń grozi porażeniem impulsem rozchodzącym się w przewodach instalacji. Sprzęt domowy, zwłaszcza elektronikę – RTV, komputery itp. należy odłączyć od sieci elektrycznej i innych instalacji przewodowych (np. instalacji antenowych, telekomunikacyjnych, sieci internetowych, TV kablowej itp.), co zapewni ochronę tych urządzeń przed wyładowaniami atmosferycznymi.

Jak prawidłowo powinniśmy reagować w chwili zagrożenia piorunem ? 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 miejsach, 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. Nie wolno jednak dotykać metalowych elementów konstrukcji. Także samochody chronią przed piorunem. Wymienione obiekty spełniają funkcję klatki Faradaya. Grupy osób pozostające na otwartej przestrzeni powinny się rozproszyć w odległości do kilkudziesięciu metrów, tak by na wypadek porażenia część grupy mogła udzielić pomocy porażonym.

Jak chronimy obiekty przed piorunem ? Piorunochron, odgromnik urządzenie chroniące budowlę przed bezpośrednim uderzeniem pioruna przez odprowadzenie do ziemi wyładowania o natężeniu kilkunastu tysięcy amper. Najprostszy piorunochron to zaostrzony metalowy pręt, ustawiony pionowo w najwyższym punkcie zabezpieczanego obiektu, połączony z ziemią przewodem o znacznym przekroju poprzecznym (co najmniej 50 mm kw.). Za twórcę piorunochronu uważany jest Beniamin Franklin, amerykański polityk, przyrodnik, wynalazca i badacz elektryczności m. in. atmosferycznej. W wyniku badań prowadzonych przez niego nad elektrycznością atmosferyczną w latach 1746-1752 i stwierdzenia elektrycznej natury pioruna, Franklin zaczął instalować w Filadelfii pierwsze piorunochrony własnego pomysłu w czerwcu lub lipcu 1752 roku, a we wrześniu wyposażył w piorunochron własny dom. Warto dodać że w 1782 roku liczba piorunochronów w Filadelfii przekroczyła 400.

Jak chronimy obiekty przed piorunem ? W Londynie pierwszy piorunochron zainstalował na swoim domu William Watson w 1762 roku. W Polsce dzięki inicjatywie króla Stanisława Augusta Poniatowskiego wyposażono w tzw. wówczas „konduktory” Zamek Królewski w Warszawie. Początkowo nie wszyscy darzyli piorunochron zaufaniem. W Bolonii np. nie pozwolono zainstalować piorunochronu G. Verratiemu, mimo poparcia jego inicjatywy przez papieża Benedykta XIV. Zasłużony badacz elektryczności, ksiądz Jean Antoine Nollet przedkładał tradycyjny sposób przeciwdziałania piorunom za pomocą bicia w dzwony kościelne. Jego zdaniem piorunochrony „ raczej mogą ściągać na nas pioruny niż chronić nas przed nimi”.

Jak wspominają ludzie ''spotkanie'' z piorunem ? Pioruny rażą co roku kilkadziesiąt osób w Polsce. Kilka ginie. Ci co przeżyli spotkanie z potężną energią, mówią, że tego się nie zapomina. Skutki można odczuwać latami. 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. 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.

Jak wspominają ludzie ''spotkanie'' z piorunem ? 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. W połowie czerwca tego roku porażenie piorunem przeżył 49-letni mieszkaniec Słosinka w woj. pomorskim. - Brat stanął koło murowanego grilla. Wtedy zauważyłem błysk w kształcie litery V. Widziałem jak brat zesztywniał. Jego ciało przeszył prąd, stracił przytomność - relacjonuje brat porażonego. Z powodu wyładowania przestały działać w domu telefony i spalił się telewizor. - Brat miał nadpalone ubranie i poparzoną twarz - opowiada mieszkaniec Słosinka. Porażony odzyskał przytomność dopiero po kilku godzinach. Na szczęście poparzenia okazały się powierzchowne. We wrześniu ubiegłego roku piorun uderzył w łańcuchy asekuracyjne pod szczytem Giewontu. Obrażeń doznał turysta znajdujący się najbliżej wyładowania. Mimo godzinnej akcji reanimacyjnej zmarł. Porażenie piorunem przeżyła w maju tego roku 40-letnia mieszkanka Raczek koło Suwałk. Była na strychu domu, gdy doszło do wyładowania. Straciła przytomność. Trafiła do szpitala poważnymi obrażeniami.

Jaka jest wielkość i moc pioruna? Kiedy cały kanał od ziemi do chmury jest zjonizowany, znacznie zmniejsza się opór powietrza, co pozwala na przepływ znacznej ilości ładunku. Wyładowanie główne porusza się ze znacznie mniejszą prędkością rzędu 10 000 km/s . Główny impuls trwa kilkadziesiąt milionowych części sekundy, a przepływ prądu zanika zwykle po kilkuset. Kiedy ujemne wyładowanie zbliży się do ziemi, od dołu wyrusza mu na spotkanie jego dodatni odpowiednik. Zwykle jego źródłem są wysoko położone obiekty (drzewa, maszty, budynki). Prawa elektrostatyki powodują, że bardzo skutecznym źródłem dodatniego wyładowania pilotującego są ostro zakończone metalowe przedmioty (patrz Ognie świętego Elma). Natężenie prądu wynosi około 250 000 A, napięcie około 30 milionów V.

Jaka jest wielkość i moc pioruna? Czasami wyładowanie główne pochodzące z chmury nazywane jest udarem przewodnim. Po nim występuje zwykle udar powrotny, w którym ładunek dodatni płynie z ziemi do chmury tym samym kanałem. Zwykle każde uderzenie powrotne jest opóźnione o 30-tysięcznych części sekundy. 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 mocy 100 W świeciła się przez dwa miesiące. Odpowiada to również energii wybuchu 122 kg trotylu. Średnie dane dotyczące piorunów mogą się różnić zależnie od warunków atmosferycznych typowych dla danego klimatu.

Czy można stworzyć piorun ? Jednym ze sposobów „stworzenia” pioruna jest użycie maszyny elektrostatycznej . Maszyna elektrostatyczna jest rodzajem prostego generatora elektrostatycznego, działającego na zasadzie indukcji elektrostatycznej. W procesie indukcji elektrostatycznej powodowany jest rozdział ładunków w danym ciele poprzez zbliżenie do innego ciała naładowanego, które są następnie przenoszone elektryzując dane miejsce ciała.