Piorun by to trafił! [GN]

Zwykle z nieba lecą ku Ziemi, ale zdarza się, że błyskają pomiędzy chmurami, a nawet z chmur — ku górze — w kierunku jonosfery. Lato to czas piorunów.

Choć może się to wydawać dziwne, nie do końca wiadomo, jak powstają pioruny. Bez wchodzenia w szczegóły wszystko jest jasne, ale... Nie wiadomo na przykład, jaki jest udział promieniowania kosmicznego w całym procesie, nie wiadomo też, co dzieje się w chmurze tuż przed wyładowaniem. Na temat piorunów kulistych nie wiadomo nic, poza tym, że istnieją, choć zdarzają się rzadko.

Pioruny w swetrze

Piorun to wyładowanie elektryczne. Ładunek elektryczny zgromadzony w jednym miejscu, „przeskakuje” w inne, gdzie jest go mniej. W chmurze (i na powierzchni ziemi) ładunki elektryczne rozmieszczone są nierównomiernie. Na dole chmury więcej jest ładunków ujemnych, a u góry dodatnich. Powierzchnia ziemi pod chmurą jest naładowana elektrycznie dodatnio, bo ładunki ujemne z niej „uciekły” (odpychane przez „minusy” na dnie chmury). Dlaczego spód chmury elektryzuje się? Dlaczego jest tam więcej minusów niż plusów?

Materia wokół nas zbudowana jest z atomów. Atomy węgla, żelaza czy tlenu — wszystkie są skonstruowane według tego samego przepisu. Wokół naładowanego dodatnio jądra atomowego (posklejanego z dodatnich protonów i neutralnych elektrycznie neutronów) krążą elektrony o ładunku ujemnym. Atom jest elektrycznie obojętny, bo liczba dodatnich protonów w jądrze jest taka sama jak liczba krążących wokół niego ujemnych elektronów. W niektórych sytuacjach zdarza się jednak, że ta równowaga zostaje zaburzona. Zdarza się tak, gdy pocieramy o siebie przedmioty wykonane z różnych materiałów (albo materiałów o różnej temperaturze). Każdy to obserwuje przy zakładaniu swetra wykonanego z włókien syntetycznych. Gdy przeciska się go przez głowę, włosy ocierają się o sweter i następuje rozdzielenie ładunków. W sumie liczba „plusów” i „minusów” nie zmienia się. Zmienia się za to ich położenie. Jeden z materiałów ma nadmiar „plusów”, a drugi „minusów”. Przy zakładaniu swetra słychać czasami trzaski. To niewielkie wyładowania elektryczne. Takie minipioruny. Ładunki ujemne przeskakują z ciała z nadmiarem „minusów” na obiekt z nadmiarem „plusów. Co to wszystkiego ma wspólnego z chmurą?

Blisko, ostro i wilgotno

We wnętrzu chmury burzowej wieją silne wiatry. Szczególnie często — jak się wydaje — w pionie. W efekcie w chmurze panuje ciągły i bardzo szybki ruch kropel wody, zamarzniętych kropel wody i kryształków lodu. Jedne przemieszczają się do góry (bardzo szybko się ochładzając), inne spadają w dół. Zderzają się ze sobą, ocierają o siebie, a przy okazji... elektryzują. Kryształki lodu elektryzują się dodatnio, podczas gdy zamarznięte krople wody (tzw. krupy) ujemnie. Krupy są cięższe od kryształków lodu i opadają „na dno” chmury. W efekcie spód chmury ma nadmiar ładunków ujemnych, a sam jej szczyt ładunków dodatnich.

Im bardziej dół chmury jest naładowany ujemnie, tym bardziej powierzchnia ziemi pod chmurą jest naładowana dodatnio. Ładunki o różnych znakach się przyciągają. Elektrony z dna chmury chętnie przeskoczyłyby na dodatnią powierzchnię ziemi, ale odległość dochodząca do kilku kilometrów (pomiędzy chmurą a ziemią) jest zbyt duża. To, czy wyładowanie „przeskoczy” pomiędzy dwoma ciałami, czy nie, zależy od wielu, wielu czynników. Jednym z nich jest tzw. różnica potencjału, mówiąca o różnicy w liczbie ładunków zgromadzonych pomiędzy obiektami. Im więcej „minusów” na dnie chmury, tym łatwiej przeskoczą one na powierzchnię ziemi. Drugim czynnikiem jest odległość, na jaką miałyby przeskoczyć. Im jest ona mniejsza, tym łatwiej o wyładowanie. To m.in. dlatego pioruny częściej uderzają w wieże kościołów czy w obiekty znajdujące się na szczytach wzniesień. Mają po prostu mniejszą drogę do pokonania. Ważna jest także wilgotność powietrza (im większa, tym łatwiej dochodzi do wyładowania) i kształt przedmiotu (pioruny chętniej uderzają w obiekty ostro zakończone, bo dodatnie ładunki gromadzą się na nich chętniej niż na płaskich powierzchniach).

Niebezpieczne próby

Pomiędzy chmurą burzową a ziemią powstaje różnica potencjału rzędu dziesiątek (a czasami setek) milionów woltów. To wystarczy, by doszło do wyładowania. Nie do końca wiadomo, co je zapoczątkowuje i dlaczego piorun leci taką, a nie inną drogą, by dotrzeć do ziemi. Ładunek elektryczny wybiera zawsze drogę o najmniejszym oporze. Takie drogi wytyczane mogą być przez cząstki kosmiczne o bardzo wysokich energiach. Wlatując w atmosferę, zderzają się z jej atomami i jonizują je (czyli wybijają im elektrony). Na trasie swojego przelotu zostawiają tunel, w którym panuje znacznie mniejszy opór elektryczny niż w powietrzu niezjonizowanym. Ten tunel, swego rodzaju autostrada dla ładunków z chmury, nigdy nie jest linią prostą, bo cząstki kosmiczne zderzają się i rozpadają. Dlatego i piorun ma kształt poszarpany i zygzakowaty. Przed piorunem chmurę burzową opuszcza tzw. prekursor. To niewielkie ilości naładowanych ujemnie cząstek, które skokowo poruszają się ku powierzchni ziemi z prędkością kilkudziesięciu tysięcy kilometrów na sekundę. Całe zjawisko trwa więc najwyżej kilka tysięcznych części sekundy (kilka milisekund). Tuż za prekursorem chmurę opuszcza „piorun właściwy”. Ten porusza się wolniej (bo z prędkością „zaledwie” kilku tysięcy km/s), ale za to niesie nieporównywalnie większą energię. Pioruny mają długość kilku kilometrów. Szerokość wspomnianego już tunelu, w którym biegnie wyładowanie, wynosi kilkadziesiąt centymetrów, choć główny ładunek porusza się w „kanale” o grubości kilku centymetrów. Natężenie wyładowania głównego może wynosić ponad 100 tysięcy amperów. Napięcie — dziesiątki milionów woltów, a całkowita energia — setki kWh. To wystarczająco dużo, by zapewnić 100-watowemu urządzeniu (np. żarówce) energię na kilkadziesiąt dni. Niestety, nie potrafimy wykorzystywać energii piorunów. Badacze, którzy tego próbowali, często przypłacali to życiem. A byłoby o co walczyć. Na całej ziemi w ciągu jednej doby pioruny przenoszą energię rzędu bilionów kWh.

Jak się przed tym chronić?

Piorun uderzający w ziemię czy w powierzchnię wody jest dla człowieka śmiertelnym zagrożeniem. Co robić, gdy letnia burza zastanie nas w czasie spaceru czy kąpieli? Przede wszystkim jak najszybciej wyjść z wody. Nie wolno stawać pod drzewami (szczególnie tymi na płaskim i pustym terenie) i w pobliżu słupów elektrycznych. Najlepiej znaleźć nisko położone schronienie. Jeżeli takiego nie ma, kucnąć (nie kłaść się!) ze złączonymi nogami. Jeżeli jest taka możliwość, dobrze jest odizolować się od powierzchni ziemi (używając karimaty albo plecaka, o ile nie ma w nim metalowego stelaża). W najgorszej sytuacji są osoby znajdujące się w czasie burzy w górach. Powinny jak najszybciej opuścić szczyt i ukryć się w jakimś zagłębieniu terenu. Nie wolno dotykać ścian skalnych, tym bardziej, że w czasie burzy są one mokre. Dobrym schronieniem, niezależnie od miejsca, w którym zaskoczy nas burza, są metalowe kratownice (także samochody), o ile nie dotyka się elementów, z których są wykonane. W domu najlepiej odłączyć z sieci elektrycznej (nie tylko wyłączyć) wszystkie urządzenia elektroniczne.

opr. mg/mg