Burza - wyładowania atmosferyczne
W upalne i wilgotne dni lata silne prądy unoszące ciepłe powietrze w górne
rejony atmosfery tworzą chmury kłębiaste deszczowe - cumulonimbusy. Tym groźnie
wyglądającym, czarnym chmurom towarzyszą porywiste wiatry, ulewne deszcze oraz
błyskawice i grzmoty. Podczas wyładowań atmosferycznych wyzwalają się ogromne
ilości energii, której wykorzystanie stanowi ciągle niespełnione marzenie
człowieka.
Ogromny, rozbudowany w pionie cumulonimbus jest pełen silnych prądów powietrza.
W miarę wzrostu chmury zwiększa się różnica temperatur między ciepłą podstawą i
zimnem w górnych warstwach, powodująca opady deszczu lub gradu. Zimne powietrze
tworzy chłodny prąd zstępujący ku podstawie chmury, który zaznacza się
porywistym wiatrem poprzedzającym na ogół nadejście burzy. Pojawiają się
wyładowania atmosferyczne. Rozpoczyna się wielki spektakl przyrody. Krople
chmur zawierają ładunki elektryczne. W chmurach kłębiastych deszczowych, w
których tworzą się szczególnie pokaźne krople wody i sporych rozmiarów
kryształki, siła tych ładunków jest wyjątkowo duża. Powstają one na skutek
ocierania, zderzania i rozpadania kropel i kryształków. Prądy wznoszące
przenoszą słupki lodowe naładowane dodatnio ku wierzchołkowi chmury, a prądy
zstępujące i opady transportują ładunki ujemne ku jej podstawie. Przyczyny
takiego rozłożenia ładunków elektrycznych w chmurach, to znaczy ześrodkowania
elektryczności o tym samym znaku w jednej części chmury, co powoduje
powstawanie olbrzymich napięć pola elektrycznego atmosfery w chmurach oraz
między chmurami a ziemią, ciągle nie są całkiem jasne.
Rozmieszczenie ładunków w chmurze przyczynia się do powstania różnicy napięć
między odmiennie naładowanymi jej częściami. Ziemia reaguje na ujemny ładunek
dolnej części chmury zepchnięciem elektronów z powierzchni gruntu i
pozostawieniem przy powierzchni naładowanego dodatnio obszaru znajdującego się
bezpośrednio pod cumulonimbusem. Ponieważ powietrze jest bardzo słabym
przewodnikiem elektryczności, wyrównanie potencjałów odbywa się nie poprzez
długotrwały przepływ ładunków, ale w postaci potężnej iskry zwanej błyskawicą
lub piorunem (wtedy, gdy ładunek biegnie z chmury do ziemi). Takie wyładowania
elektryczne powtarzają się wielokrotnie. Towarzyszą im ogłuszające dźwięki -
grzmoty. Całe zjawisko z krótkotrwałym wzmocnieniem siły wiatru nazywa się
burzą.
Błyskawica jest bardzo złożonym procesem elektrycznym. Najpierw w kierunku
ziemi biegnie strumień elektronów, który wytwarza wąski kanał o szerokości
kilku centymetrów, niewidzialny dla ludzkiego oka. Jest to wstępne wyładowanie
nazywane liderem, gdyż jak gdyby przeciera szlak, zwiększając przewodność
powietrza. Gdy dotknie gruntu, w kierunku chmury przebiega wyładowanie dodatnie
powrotne. Zaraz po liderze wytyczonym przez niego kanałem dociera do ziemi
główne wyładowanie dostrzegane jako błyskawica. Jest ona serią niewyobrażalnie
szybkich, trwających setne części sekundy, świetlnych promieni. Dzieje się tak
do momentu, gdy ładunki w chmurze zostaną zneutralizowane przez wyładowania
powrotne, to znaczy do wyrównania różnicy potencjałów.
Grzmot, który towarzyszy wyładowaniu, jest spowodowany wydzieleniem przez
błyskawicę ciepła o temperaturze prawie 25 tysięcy stopni Celsjusza (dla
porównania temperatura na powierzchni Słońca wynosi 5800 stopni Celsjusza) i w
efekcie gwałtownym podgrzaniem powietrza do bardzo wysokiej temperatury. Jej
błyskawiczny wzrost rozszerza powietrze w kanale iskry z prędkością
ponaddźwiękową i siłą znacznie większą niż ciśnienie atmosferyczne. Następuje
wówczas eksplozja całego kanału iskry piorunowej. Powstaje fala uderzeniowa,
czyli grzmot, huk słyszalny z odległości kilkunastu kilometrów. Potęgę grzmotu
zwiększa jeszcze jego długotrwałość, słychać go bowiem nieraz przez kilka
sekund. To w dużej mierze efekt odbijania się fal dźwiękowych od różnych
przedmiotów, również od powierzchni ziemi i od chmur.
Ogromna prędkość światła powoduje, że błyskawice są widzialne zawsze przed
grzmotem, który rozchodzi się w atmosferze ze znacznie mniejszą prędkością
dźwięku. Trzysekundowa przerwa oznacza, że burza jest oddalona o kilometr.
Wyładowania elektryczne mogą powstawać również wewnątrz chmury, między dodatnio
naładowanymi warstwami znajdującymi się na górze i ujemnie naładowaną podstawą,
lub między kilkoma chmurami burzowymi.
Człowiek odczuwa przemożny strach przed zabójczą siłą pioruna. Znane są liczne
przypadki zabicia lub rzadziej porażenia ludzi przez biegnący z chmury ładunek
elektryczny. Obawę zwiększa świadomość wysokości napięcia elektrycznego
błyskawicy, wyrażającej się w setkach tysięcy czy milionach Voltów. Tymczasem
nawet bardzo wysokie napięcie jest zupełnie niegroźne przy małym natężeniu - to
natężenie bowiem decyduje o stopniu porażenia. Niestety bardzo często ma ono
moc zabójczą; zmierzono pioruny, których ładunek elektryczny dochodził do 500
tysięcy amperów, podczas gdy 75-watowa żarówka pobiera prąd o natężeniu 1/
3 ampera. Moc pioruna (którą obliczamy mnożąc napięcie przez natężenie) jest
olbrzymia i wynosi setki tysięcy megawatów. Gdyby człowiek mógł wykorzystać
choćby niewielką jej część, rozwiązałoby to w dużym stopniu problemy z
niedoborem energii. Jednakże próby okiełznania piorunów nie wyszły na razie
poza fazę eksperymentów.
Najczęściej występują i najlepiej zostały poznane pioruny liniowe, mające
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 znaczenie 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 sadzę) powietrze nieźle przewodzi elektryczność, pioruny więc
chętnie uderzają w kominy fabryczne, tym bardziej, że są one wysokie.
Wysokość przedmiotów ma w czasie burzy znaczenie bardzo istotne, co również
wynika z szukania przez piorun najkrótszej drogi do ziemi. Wysoki wieżowiec lub
drzewo skraca ją. Dzieje się tak jednak tylko wtedy, gdy ziemia pod nimi dobrze
przewodzi prąd elektryczny. Dlatego czasami piorun trafia nie w strzeliste
drzewo, ale w stojącą obok chatę, gdy grunt na którym ona stoi, jest lepszym
przewodnikiem elektryczności.
Człowiek, pozostając w czasie burzy na otwartym polu, naraża się na poważne
niebezpieczeństwo. Mniejsze zagrożenie dla życia stanowi natomiast schronienie
się przed piorunami w gęstym i wysokim lesie. Nie należy stawać pod samotnym
drzewem, ponieważ ryzyko jest potrójne. Po pierwsze piorun idący po pniu lub
prze pień może przeskoczyć na człowieka. Po drugie prąd po dojściu do ziemi
wytwarza na jej powierzchni miejsca o różnych potencjałach energii. Może się
zdarzyć, że każda noga stoi na gruncie o różnym napięciu elektrycznym. Wtedy
iskra, by wyrównać potencjały, przebiega przez ciało człowieka, zatrzymuje
akcję serca i powoduje śmierć. Po trzecie można również zostać trafionym przez
odłamek pnia rozsadzonego przy przepływie prądu pioruna. Również kąpiel podczas
burzy w otwartych zbiornikach wodnych grozi niebezpieczeństwem, gdyż pioruny
często trafiają w wodę, która jest bardzo dobrym przewodnikiem.
Ciągle budzącym grozę zjawiskiem, nadal nie w pełni wyjaśnionym, pozostaje
piorun kulisty. Ma on postać świecącej kuli o wielkości piłki tenisowej, a
nawet futbolowej. Świeci jasnym światłem (czerwonym, żółtym, pomarańczowym),
porusza się z prędkością około 2 m/s, na ogół przy ziemi i reagując na ruch
powietrza, zmienia kierunek lotu. Czasami przedostaje się do mieszkań przez
otwarte okna i drzwi, a bywa, ze i przez przewody kominowe. Przy zetknięciu z
jakimś przedmiotem może wybuchnąć, jest więc niebezpieczny dla zdrowia i życia
ludzi. Nie został również poznany mechanizm powstawania pioruna paciorkowego
(zwanego też łańcuchowym), który jest łańcuszkiem złożonym z oddzielnych
punktów świetlnych.
W każdej sekundzie trwa na świecie około 2000 burz. Szczególnie częste są one
między zwrotnikami. Do najbardziej burzowych rejonów Ziemi należy wyspa Jawa,
gdzie burze występują przeciętnie przez 222 dni w roku. Częste są burze w
Ameryce Środkowej oraz u ujścia największej rzeki świata - Amazonki. W
szerokościach umiarkowanych dni z burzami jest znacznie mniej, około 10-30 w
roku.
Źródło: "Życie Świata"