Czy wieżowiec może razić piorunami? Piguła wiedzy o burzach.

Wyładowania atmosferyczne przez większość czasu istnienia ludzkości były spowite tajemnicą. Wierzono, że są sprawką sił nadprzyrodzonych, uderzenia pioruna traktowano jak karę za grzechy. Dziś wiemy, że zjawiska te mają naturę fizyczną.

W normalnych warunkach gorące powietrze (suche lub wilgotne) wznosi się, dociera w miejsca, w których temperatura jest niższa, jeśli jest suche, to opada, jeśli wilgotne — część pary zamienia się w kropelki wody, kondensacja powoduje ogrzanie drugiej części i ono wznosi się coraz wyżej. Wysokie chmury mogą dla przykładu składać się z cząstek lodu. Jest to oczywiście uproszczenie, ponieważ proces powstawania chmury jest skomplikowany i zależny od wielu czynników.

Przykład w jaki sposób zachowuje się powietrze w przypadku konwekcji 1

Część wody, która skondensowała — opada, ale są to zbyt małe cząstki, aby mogły dotrzeć do powierzchni Ziemi i w efekcie parują, a następnie wznoszą się z gorącym powietrzem, by powtórzyć proces — nuda.

Proces nasuwania się ciepłego powietrza na zimne 2

Dużo ciekawiej jest, gdy dochodzi do zaburzenia równowagi, to znaczy, gdy na dole jest zimniej niż na górze. Ciepłe powietrze nasuwa się na zimne i malutkie kropelki wody, zamiast parować — łączą się w większe krople. Wtedy następuje deszcz.

Chmura burzowa z dobrze widocznym kowadłem 3

Jak jednak dochodzi do burzy? Ogólnie chmura burzowa — Cumulonimbus to taka chmura na sterydach. Powstaje głównie w rejonach, w których jest bardzo gorąco. Powietrze ma wysoką temperaturę, więc szybko się wznosi na duże wysokości. Kondensacja tylko wspomaga ten proces, a chmura rośnie i rośnie, osiągając swoisty sufit. Dalej w górę nie pójdzie, więc musi zacząć rozchodzić się na boki. Powstaje coś na kształt kowadła lub stołu z jedną nogą. Możliwe są też inne zakończenia np. w kształcie pióropusza. Istnieją też chmury z zakończeniem kalafiorowatym, ale rzadko tworzą wyładowania atmosferyczne.

Wyładowanie z kalafiorowatym Cumulonimbus calvus By Bidgee - http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Wagga-cb-7dec05.jpg, CC BY-SA 2.5, Link

W chmurze takiej wieją bardzo silne wiatry w górę oraz słabsze, ale też silne w dół. Armagedon to dobre określenie na to, co tam się dzieje. Mocne wiatry są kuszące dla szybowców, ponieważ pozwalają osiągnąć ogromne wysokości, ale turbulencje ryzyko uderzenia piorunem sprawiają, że próby takie są szalenie niebezpieczne.

Zaczyna się burza. Ciepłe powietrze jest zasysane do wnętrza chmury wraz z wszystkimi zawiesinami, a przy ziemi wieje silny i zimny wiatr. W gorące dni przynosi orzeźwienie, ale jest też sygnałem do tego, że trzeba szukać schronienia.

Powstaje wyładowanie. Jak? Ciężko powiedzieć, nie zostało to jeszcze do końca wyjaśnione. Wiemy tylko, że ładunek elektryczny tworzony jest w momencie zamarzania kropli wody. Niektóre źródła podają jako przyczynę tego zjawiska tarcie pomiędzy cząstkami lodu a kroplami, inne, że przyczyną jest ujemne naładowanie ziemi. Według nich spadająca kropla ma ładunek dodatni w dolnej części i ujemny w górnej. Dzięki temu zbiera ujemne jony, a odpycha dodatnie. Inaczej zaś sprawa wygląda z małymi cząstkami. One wędrują w górę chmury i ładują się dodatnio. Niezależnie od mechanizmu, dół naładowany jest ujemnie, a góra dodatnio.

Dochodzimy tutaj do faktycznego zjawiska zwanego piorunem. Aby mogło się wydarzyć, musi istnieć duże natężenie pola elektrycznego (kilka kilowoltów na centymetr). Wyładowanie przebiega w dwóch możliwych scenariuszach:

a) Wyładowanie odgórne — chmura - ziemia (CG), najpopularniejsze z wyładowań. Dla silnie negatywnego ładunku dolnej części chmury powierzchnia ziemi jest pozytywna (lekki negatywny ładunek ziemi jest niczym w porównaniu do ładunku chmury).

b) Wyładowanie chmura-chmura (CC), czyli wyładowanie wewnątrz chmurowe, rzadkie i bezpieczne dla osób przebywających na ziemi.

Możliwe jest też inne, o wiele niebezpieczniejsze wyładowanie — CG+ czyli wyładowanie, w którym piorun biegnie od górnej części chmury i niesie ze sobą ładunek dodatni. Takie uderzenia są rzadkie, ale mogę wystąpić nawet 80 kilometrów od burzy. Nosi to nazwę „Gromu z jasnego nieba” ponieważ pogoda wokół miejsca trafienia może być jeszcze ładna (chociaż zwiastuje nadchodzącą burzę). Poniżej film obrazujący to zjawisko.

Przed piorunami chronią nas instalacje odgromowe czyli ostre metalowe pręty na których gromadzą się ładunki elektryczne. Ich zadanie to przeciwdziałanie skutkom piorunów liniowych, czyli tych uderzających z chmury w ziemię. Piorun liniowy szuka najkrótszej drogi do ziemi, więc piorunochron będzie dla niego świetnym celem. Instalacja nie jest droga (1-3 tysiące złotych). Zapewnia praktycznie 100 procentowe bezpieczeństwo, jednak dla pewności warto wyłączyć prąd w domu.

dach galerii chroniony odgromnikami

Omówiliśmy pioruny z chmury do ziemi, czy są jakieś inne? Okazuje się, że tak! Wysokie konstrukcje mogą generować pioruny biegnące w kierunku chmury. Są one bardzo rzadkie i słabe, ale dają podobne efekty jak te pochodzące z chmury. Może też się zdarzyć, że piorun odbije się od ziemi i poleci z powrotem do chmury. Poniżej film obrazujący to zjawisko.

Film na którym pioruny zaczynają się od budynków.

https://www.youtube.com/watch?time_continue=122&v=RDDfkKEa2ls

Burze mogą też zdarzać się w zimie, miało to miejsce np. w 2013 roku, gdy przez Polskę przechodził orkan Ksawery, spowodował on spadek ciśnienia, co w efekcie doprowadziło do powstania faktycznych burz śnieżnych, a nie zamieci. Chociaż są to rzadkie i generujące pojedyncze wyładowania zjawiska, to nie należy traktować ich jako anomalii.

Co dzieje się w trakcie uderzenia pioruna i skąd wie gdzie, ma uderzyć? Powietrze jest ogólnie słabym przewodnikiem, wyładowanie wysyła więc pilota, który szuka najlepszej drogi. Pilot porusza się skokowo w czasie ułamków sekund, może zmieniać swój tor, rozgałęziać się na kilka, choć zazwyczaj tylko jeden dotrze do ziemi. W jego otoczeniu tworzy się kanał z zjonizowanego powietrza, które bardzo dobrze przewodzi prąd. Pilot, zwany też liderem dociera do ziemi (najlepiej, jeśli jest to piorunochron). Następuje utworzenie silnie przewodzącego kanału pomiędzy chmurą a ziemią i krótki, ale bardzo gwałtowny przepływ prądu. Z chmury płyną ładunki ujemne (wstępne), a z ziemi dodatnie (powrotne). Proces ten może powtarzać się wielokrotnie. Później chmura musi znów się naładować, następuje kolejne wyładowanie i dzieje się tak do końca burzy. Towarzyszy temu efekt świetlny — błyskawica i dźwiękowy — grzmot.

Prawidłowa pozycja podczas burzy na otwartym terenie 4

Jak zachować się podczas burzy? Najlepiej zostać w budynku, jednak nie zawsze jest to możliwe. Jeśli burza zaskoczy nas w czasie wędrówki, warto pamiętać o kilku podstawowych zasadach:

• Nie chować się pod samotnymi drzewami. Takie drzewo jest pozornie dobrym schronieniem, mniej pod nim pada, a piorun trafi w nie, a nie nas. Problem pojawia się, gdy zastanowimy się co stanie się później? Drzewo z dużym prawdopodobieństwem eksploduje i zabiją lub okaleczą nas drzazgi, może też dojść do przebicia, w wyniku którego zostaniemy porażeni.

• Nie kłaść się na ziemi. Mogłoby się wydawać, że dobry pomysł, bo pioruny uderzają w wysokie obiekty. To prawda, ale pozostaje problem prądu powierzchniowego, który przepłynie przez nasze ciało. Może spowodować zatrzymanie akcji serca, a w konsekwencji śmierć, jeśli pomoc nie zostanie szybko udzielona.

• Wyłączyć telefon, odrzucić metalowe przedmioty. Jest to oczywiście do zrobienia w miarę możliwości. Metale i elektronika przyciągają pioruny, jednak jest znacznie większa szansa na trafienie wyładowania w maszt telekomunikacyjny niż telefon czy klucze.

• Poszukać w miarę suchego zagłębienia i kucnąć w nim ze złączonymi nogami i łokciami dotykać kolan, a dłonie złączyć. Niektóre instrukcje podają też, aby dłońmi zasłonić uszy, jednak nie jestem co do tego przekonany z uwagi, że może dojść do porażenia głowy. Taką pozycję najlepiej przyjąć np. na plecaku czy innym nieprzewodzącym elemencie, który odizoluje nas od ziemi. Mamy wtedy dosyć dużą szansę przeżycia, jeśli piorun uderzy nawet obok nas. Przejdzie przez nasze ciało, ale ominie serce i mózg, więc będziemy w stanie sami się z tego pozbierać, wezwać pomoc lub poczekać aż ktoś nas znajdzie.

• Jeśli jesteśmy w grupie, powinniśmy się rozdzielić, zachowując odległość minimum 3 metrów od osoby. Dzięki temu, jeśli uderzy piorun, mniej osób zginie, a ocalali będą w stanie pomóc porażonym. Nie jest przy tym prawdą, że nie można ich dotykać — ładunek zostaje szybko zneutralizowany.

• Jeśli jesteśmy w górach, należy zejść ze szczytu, jeśli przebywamy w wodzie — wyjść z niej. Kwestia jaskiń jest problematyczna. Mogą być dobrym schronieniem, jednak należy odsunąć się od skał, które mogą przewodzić prąd, oraz sprawdzić, czy przez jaskinie mógłby przelecieć piorun.

• Wybór między lasem a polaną jest trudny. Z jednej strony w lesie jest bardzo dużo celów dla piorunów, z drugiej to nadal są eksplodujące drzewa i istnieje ryzyko przygniecenia. Za to na polanie sami możemy stać się celem. Nie ma tutaj uniwersalnej odpowiedzi.

• Stawiaj mniejsze kroki. Każda z nóg jest obdarzona różnym potencjałem, zwane to jest napięciem krokowym. W przypadku porażenia różnica ta może zadecydować o przeżyciu, nie biegnij.

• Jeśli znajdujesz się w samochodzie, to nie wychodź z niego, zamknij okna i nie dotykaj metalowych elementów. Jesteś bardzo bezpieczny, ponieważ samochód działa prawie jak klatka faradaya.

• Jeśli nie musisz, nie opuszczaj schoronienia — tłumaczyć nie trzeba.

Na zakończenie w ramach ciekawostki film o tym, jak wywołać „Burzę w szklance wody”

Źródła:
Wyładowania piorunowe
https://zagle.se.pl/zeglarstwo/meteorologia-praktyczna-nimbostratus-aa-zmfk-u2Cw-QwMQ.html
http://pogoda.omelan.pl/burze-i-pioruny-jak-powstaja/
http://fanimeteo.manifo.com/czym-wlasciwie-jest-burza
http://www.skiptoinfo.com/fizyka,47/meteorologia,48/jak-powstaje-burza,52/
https://geographica.pl/2015/06/26/10-mitow-o-piorunach-ktore-nalezy-obalic/
https://www.castorama.pl/jak-dziala-piorunochron-ins-1113297.html
https://pl.wikipedia.org/wiki/Burza
http://lowcyburz.pl/2014/02/26/burze-sniezne/
http://www.mojapogoda.com/leksykon-meteorologiczny/burze.html
http://lowcyburz.pl/2014/02/26/burze-sniezne/
https://pl.wikipedia.org/wiki/Napi%C4%99cie_krokowe

---

^{Originally posted on Ciekawsza strona Nauki. Steem blog powered by DBLOG.}