Piorun

Z Wikipedii

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. Wystepują błyskawice, które widoczne są jedynie jako rozjaśnienie powierzchni chmury, inne znów w ciągu ułamku sekundy przypominają swym kształtem świecący sznur pereł.^[1]

Podczas uderzenia pioruna wyzwala się potężna energia. Główna jej część zostaje rozproszona w postaci ciepła w powietrzu tworzącym kanał plazmy, energia cieplna w większości rozprasza się, niewielka jej część przekształca się na błysk i grzmot. 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.

Spis treści 1 Skutki uderzeń pioruna 2 Zasady ochrony przed piorunami 3 Chmury burzowe 4 Wyładowanie pilotujące 5 Wyładowanie główne 6 Wyładowanie do jonosfery 7 Przypisy 8 Galeria 9 Linki zewnętrzne 10 Zobacz też

[edytuj] Skutki uderzeń pioruna

Piorun może wywołać pożar. Uderzenia rozrywają pnie drzew i mury, potrafią oderwać płyty kamienne wykładzin dachowych, murów ważące do 100 kg i odrzucić je na kilka metrów, przepalają cienkie druty, wywołują uszkodzenia instalacji elektrycznych, telefonicznych i innych opartych o metalowe przewody, niszczą urządzenia elektryczne. Działanie na urządzenia elektryczne zapoczątkowywane jest poprzez bezpośrednie lub pośrednie uderzenie pioruna w sieć, a także w wyniku indukowania się napięcia w wyniku impulsu elektromagnetycznego gdy piorun uderzy w niedaleko od sieci.

Impuls ten powstaje wskutek wytworzenia przez prąd elektryczny pioruna krótkotrwałego pola magnetycznego. Indukuje on napięcie we wszystkich obwodach i urządzeniach elektrycznych (w tym w liniach elektroenergetycznych, sieciach telekomunikacyjnych, instalacjach antenowych itp.) znajdujących się w pobliżu miejsca uderzenia pioruna. Napięcie impulsu blisko uderzenia jest tak duże, że nie zabezpieczają przed nim zwykłe wyłączniki ani izolacje. Powoduje ono poważne uszkodzenia i zniszczenia sieci oraz przyłączonych do tych sieci urządzeń.

[edytuj] Zasady ochrony przed piorunami

W czasie burzy nie wolno stawać pod samotnie rosnącymi drzewami, w pobliżu wysokich metalowych masztów, w które często uderza piorun ani w pobliżu linii elektroenergetycznych.

Osoba przebywająca na otwartej przestrzeni powinna znaleźć pomieszczenie, budynek, ziemiankę i schronić się w nim, z braku schronić się w zagłębieniu w terenie, nie kłaść się na ziemi (powinna dotykać do ziemi złączonymi stopami, ponieważ podczas uderzenia pioruna powstaje rozkład potencjału na powierzchni Ziemi (tzw. napięcie krokowe), odrzucić lub położyć na ziemi duże przedmioty metalowe przewodzące prąd. Osoby znajdujące się w górach powinny niezwłocznie zejść ze szczytów i grani i ukryć się w zagłębieniach, jaskiniach czy wnękach. Bardzo dobrymi miejscami na schrony są wnętrza metalowych pojemników, klatek, kratownic (w tym i masztów), ale nie wolno ich dotykać, w tym także samochody chronią przed piorunem, spełniąją one 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. Osoby przebywające na otwartej przestrzeni powinny podczas burzy bezwzględnie wyłączyć telefony komórkowe, ponieważ nawet w stanie czuwania łączą się one co pewien czas ze stacją przekaźnikową. Wysyłają one wtedy promieniowanie elektromagnetyczne, które jonizuje powietrze i tym samym zwiększa jego przewodność elektryczną.

Budynki i inne wysokie konstrukcje muszą być zabezpieczone piorunochronem, chroniącym je w czasie burzy^[2]. Instalacje elektryczne, w tym i sieci przesyłowe zabezpiecza się bezpiecznikami przeciwprzepięciowymi ^[3]

W domu podczas burzy należy unikać korzystania z telefonów stacjonarnych, zwłaszcza przewodowych, oraz urządzeń elektrycznych, przede wszystkim tych obsługiwanych ręcznie. Korzystanie z tych urządzeń grozi porażeniem. 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.

[edytuj] Chmury burzowe

Uważa się, że ładunek elektryczny w powietrzu powstaje w wyniku powszechnie znanych mechanizmów elektryzowania głównie przez indukcję elektrostatyczną oraz pocieranie. Choć główny mechanizm jest znany, to szczegóły zjawisk zachodzących w chmurach burzowych są niezwykle złożone i opisująca je teoria nie jest w pełni potwierdzona.

Kiedy na skutek zderzenia zimnych i ciepłych mas powietrza powstaje silny prąd wznoszący, tworzą się chmury burzowe (kłębiasto-deszczowe, cumulonimbus) mające wysokość kilku kilometrów. Ruch powietrza powoduje wzajemne zderzanie ze sobą kryształów lodu oraz kropel wody. Dotykanie się lub pocieranie ciał wykonanych z różnych substancji albo z jednakowej substancji ale różnej budowie krystalicznej bądź też o różnych temperaturach wywołuje elektryzowanie się tych ciał. Kiedy krople w chmurze burzowej są gwałtownie unoszone go góry, w ciągu krótkiego czasu ich temperatura spada do -10 °C, -20°C i zamarzając tworzą krupy lodowe. Krupy zderzają się z już zamrożonymi kryształkami lodu, co pozostawia na nich niewielki ujemny ładunek. Kryształki otrzymują ładunek dodatni. Każde zetknięcie się i rozdzielenie ciał znajdujących się w polu elektrycznym elektryzuje oba ciała przeciwnymi ładunkami. Proces ten zachodzi gdy wznoszące się powietrze znajdzie się w pobliżu już naelektryzowanego obszaru, podczas zderzania się krup lodowych lub też podczas rozpadu lub tylko ocierania się kropelek wody. Zjawisko elektryzowania przez indukcję staje się szczególnie wydajne gdy chmura lub obszar obok niej jest już w pewnym stopniu naelektryzowany i odgrywa główną rolę w elektryzowaniu się chmury.

Prąd powietrza rozdziela lżejsze kryształki lodu od krup unosząc je do góry. Krupy opadają na dół chmury i w ten sposób powstaje różnica potencjałów rzędu od 10 do 100 milionów woltów.

W latach 90. XX w uczeni zwrócili uwagę na elektryzowanie powietrza przez promieniowanie gamma. Zewnętrzne warstwy atmosfery są stale bombardowane promieniowaniem gamma, promieniowanie to jest pochłaniane przez powietrze, podczas pochłaniania z atomów wybijane są elektrony, dodatnie jony pozostają w miejscu, a wybite elektrony poruszają się w kierunku ruchu (głównie w dół) wybijającego je promieniowania, po przebyciu kilku centymetrów zatrzymują się i przyłączają do atomów powietrza. W wyniku tego procesu między jonosferą i powierzchnią Ziemi powstaje na skutek tego procesu różnica potencjałów.

[edytuj] Wyładowanie pilotujące

Kiedy różnica potencjałów stanie się wystarczająco duża może rozpocząć się wyładowanie elektryczne. Według hipotezy zaproponowanej przez Alexa Gurevicha z Instytutu Lebiedewa w Rosji drogę wyładowania pilotującego wytyczają wysokoenergetyczne cząstki promieniowania kosmicznego. Zderzenie kosmicznego przybysza z atomem powietrza prowadzi do powstania kaskad cząstek wtórnych wytwarzających strumienie elektronów. W ten sposób w górnej naładowanej ujemnie części chmury rozpoczyna się wyładowanie pilotujące (lider, prekursor). Strumienie naładowanych cząstek pokonują odległość do ziemi skokami o długości od 30 do 50 metrów. Zachodzi przy tym jonizacja powietrza, co zmniejsza opór elektryczny. Cały proces może trwać od ok. 10 do ok. 100 milisekund (dziesiąta część sekundy). Często wyładowanie pilotujące rozdziela się na wiele odnóg, z których tylko jedna dociera jako pierwsza do celu.

Kiedy ujemne wyładowanie pilotujące 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). Przepływ prądu w wyładowaniu pilotującym jest bardzo mały w porównaniu do wyładowania głównego.

[edytuj] Wyładowanie główne

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 większą prędkością rzędu dziesiątej części prędkości światła (100 milionów km/h). Główny impuls trwa kilkadziesiąt milionowych części sekundy, a przepływ prądu zanika zwykle po kilkuset.

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 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. Taka ilość energii wystarczyłaby, aby żarówka o mocy 100 W świeciła się przez dwa miesiące. Średnie dane dotyczące piorunów mogą się różnić zależnie od warunków atmosferycznych typowych dla danego klimatu.

[edytuj] Wyładowanie do jonosfery

Pierwszy raz wzmianki o wyładowaniu z chmury burzowej do góry pojawiły się w roku 1886, ale potwierdzenie znalazły dopiero ostatnio.

Wyładowanie do jonosfery pojawia się tylko w chmurach cumulonimbus wznoszących się wysoko go góry. Ma ono zwykle kolor czerwono pomarańczowy, podobny do światła lamp neonowych i trwa dłużej niż zwykły piorun. Zwykle jest widoczne przez 17 ms. Jego źródłem jest bardzo silny piorun w kierunku ziemi, który pozbawia chmurę ładunku dodatniego. Wyładowanie w kierunku jonosfery może mieć wysokość do 50 km i pojawia się około 100 ms później. Często wyładowanie jest podwójne, a wokół niego na skutek rozgrzania plazmy powstaje poświata.

Pierwsze zdjęcia wyładowania do jonosfery wykonali 6 czerwca 1989 roku naukowcy z University of Minnesota. Nazwali to zjawisko angielskim słowem spirites nawiązującym do postaci ze sztuki Szekspira.

[edytuj] Galeria

[edytuj] Linki zewnętrzne

• Artykuł dotyczący obserwacji wyładowań do jonosfery na hbar.stanford.edu (en)
• H.T. Su, R.R. Hsu, A.B. Chen, Y.C. Wang, W.S. Hsiao, W.C. Lai, L.C. Lee, M. Sato, H. Fukunishi, Gigantic jest between a thundercloud and ionosphere, Nature, Vol 423, 26 czerwca 2003, PDF

[edytuj] Zobacz też

• piorun kulisty,
• piorun paciorkowy,
• ognie świętego Elma.