INTERESUJĄCE ZJAWISKO FIZYCZNE

Prezentacja na temat: "INTERESUJĄCE ZJAWISKO FIZYCZNE"— Zapis prezentacji:

1 INTERESUJĄCE ZJAWISKO FIZYCZNE
BURZA Karolina Sadło III D

2 BURZA TEORIA WILSONA PIORUNY CIEKAWOSTKI BURZA CDN.
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 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. TEORIA WILSONA CIEKAWOSTKI PIORUNY BURZA CDN.

3 BURZA W czasie lotu w dół ten dodatni koniec kryształka lub kropli odpycha ze swojej drogi jony dodatnie, natomiast przyciąga i pochłania jony ujemne. Następuje tzw. separacja ładunku. Ładunki ujemne gromadzą się na dole chmury, a dodatnie na górze, (jest to jedna z teorii separacji ładunku w chmurze stworzona przez angielskiego fizyka C. Wilsona. Ujemny ładunek na dnie chmury staje się na tyle duży, że napięcie pomiędzy Ziemią a chmurą dochodzi do 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). Te olbrzymie napięcia powodują wyładowania łukowe, czyli uderzenia pioruna. Sam piorun też jest zjawiskiem bardzo złożonym. Najpierw od chmury odrywa się mały, jasny punkt, zwany prekursorem, który pędzi w kierunku Ziemi z prędkością 50 km/s. Przebiega 50 m i zatrzymuje się. "Odpoczywa" około 50 nanosekund i znowu posuwa się o krok, zwykle w nieco innym kierunku. Takimi skokami przebywa drogę aż do Ziemi. Droga, którą przebył, pełna jest ładunków ujemnych i staje się jakby drutem łączącym chmurę z Ziemią. Gdy w końcu ładunek ujemny zbliży się do Ziemi, z Ziemi zaczyna się wyładowanie w jego kierunku. Główne, najjaśniejsze uderzenie biegnie od Ziemi do góry, powodując błysk i grzmot. Prąd płynący w błyskawicy ma natężenie w szczycie około A ta czasem więcej). Ale to jeszcze nie koniec. Po kilku setnych sekundy biegnie w dół nowy prekursor, zwany "ciemnym prekursorem". Biegnie tą samą drogą co pierwszy, ale już nie przystaje. Znowu następuje uderzenie powrotne po przygotowanej przez niego drodze. Takich kolejnych uderzeń może być wiele (zaobserwowano do 42 błyskawic na tym samym torze), zawsze jednak następują one bardzo szybko po sobie. Potem chmura "odpoczywa" przez co najmniej 5 s. JAK DALEKO JEST BURZA ROZKŁAD ŁADUNKÓW ELEKTRYCZNYCH W CHMURZE

4 OCHRONA PRZED PORAŻENIEM PIORUNEM
PIORUNY PIORUNY LINIOWE PIORUNY KULISTE PIORUNY PACIORKOWE OCHRONA PRZED PORAŻENIEM PIORUNEM

5 JAK NALEZY 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, strzelbę, 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 Wróć do menu „Pioruny”

6 TEORIA WILSONA TEORIA WILSONA CDN.
Przedstawiam teraz teorię 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. TEORIA WILSONA CDN.

7 TEORIA WILSONA cd... TEORIA WILSONA CDN.
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. TEORIA WILSONA CDN.

8 TEORIA WILSONA cd... TEORIA WILSONA CDN.
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. TEORIA WILSONA CDN.

9 TEORIA WILSONA cd... TEORIA WILSONA CDN.
Gdy róznicą 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 się 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. TEORIA WILSONA CDN.

10 TEORIA WILSONA cd... TEORIA WILSONA CDN.
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 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 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. TEORIA WILSONA CDN.

11 TEORIA WILSONA cd... TEORIA WILSONA CDN.
Powstawanie błyskawicy. Z lewej - tworzenie się prekursora, z prawej - rozpoczynające się uderzenie powrotne TEORIA WILSONA CDN.

12 TEORIA WILSONA 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 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.

13 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 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....

14 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 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. RODZAJE PIORUNÓW PIORUNY CDN.

15 PIORUNY LINIOWE Wróć do menu „Pioruny”
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. Wróć do menu „Pioruny”

16 PIORUNY KULISTE Wróć do menu „Pioruny”
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, stosując prąd o wysokim napięciu i częstotliwości radiowej. Fotografowali je i zarejestrowali na filmie video. Wróć do menu „Pioruny”

17 ELEKTRYCZNYCH W DOJRZAŁEJ
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.

18 PIORUNY 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.

19 PIORUNY PACIORKOWE Wróć do menu „Pioruny”
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 wiemy o nich dużo, zdjęć jest znikoma ilość, 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. 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. Wróć do menu „Pioruny”

20 PAMIĘTAJ należy pozostawać w domu podczas burzy i nie wychodzić chyba że jest to naprawdę konieczne, trzymaj się z daleka od otwartych okien, drzwi, kominków, piecy, umywalek, 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 ziemię, 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.

21 CIEKAWOSTKI OGNIE ŚW. ELMA BENJAMIN FRANKLIN DŻETY I SPRAJTY

22 Benjamin Franklin Amerykański polityk, dyplomata, filozof, publicysta i uczony. Autor licznych opracowań naukowych z zakresu fizyki, medycyny, botaniki i agronomi. Najbardziej znaczących odkryć dokonał na polu fizyki. Był prekursorem badań nad wyładowaniami atmosferycznymi. Opracował min. pierwszą teorię elektryczności, wprowadził pojęcie elektryczności dodatniej i ujemnej, sformułował zasadę zachowania ładunku elektrycznego, wyjaśnił zjawisko indukcji elektrostatycznej. Zasłynął zaś, jako wynalazca piorunochronu i twórca dzwonków, noszących dziś jego nazwisko (Dzwonki Franklina). Badania nad medycyną, botaniką i agronomią zaowocowały licznymi osiągnięciami: zaprojektował pierwsze soczewki dwuogniskowe (1756), jako pierwszy zastosował sztuczny nawóz w postaci gipsu a ponadto zlokalizował i opisał Prąd Zatokowy (Golfsztrom). I choć zapamiętamy go, jako wynalazcę piorunochronu, to nie zapominajmy, że był mężem stanu: współautorem Deklaracji Niepodległości, jednym z założycieli Stanów Zjednoczonych, orędownikiem zniesienia niewolnictwa. DŻETY I SPRAJTY Wróć do menu „Ciekawostki”

23 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. Wróć do menu „Ciekawostki”

24 OGNIE ŚW. ELMA 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 gradientem 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 jedyne wywyższenia na dużym obszarze). Marynarze postrzegają ognie św. Elma za dobry znak, mimo, iż należałoby je potraktować jako sygnał do ucieczki. Jak wiadomo, tak silne przyciąganie świadczy o nagromadzeniu dużego ładunku w chmurze, które może być rozładowane przez piorun. Wróć do menu „Ciekawostki”

25 Materiały wykorzystane w prezentacji: - garyhopson.webpark.pl
BIBLIOGRAFIA Materiały wykorzystane w prezentacji: - sciaga-online.pl - garyhopson.webpark.pl