Spis treści
Burze
Burze cz.2
Burze cz.3
Wszystkie strony

BURZE

Informacje ogólne:

O burzy mówimy wtedy, gdy następuje jedno lub kilka nagłych wyładowań atmosferycznych (piorunów), przejawiających się krótkim, silnym błyskiem i suchym trzaskiem lub głuchym grzmotem. Wyładowania występują zarówno pomiędzy chmurami jak i między chmurą, a ziemią. Zjawisko to tłumaczy teoria mówiąca, iż na skutek indukcji elektrostatycznej (influencja - zjawisko rozdzielania się ładunków elektrycznych różnych znaków w przewodnikach i dielektrykach [izolatory], pod wpływem zewnętrznego stałego pola elektrycznego. Pod wpływem sił pola elektrycznego swobodne nośniki ładunków elektrycznych w przewodnikach przesuwają się, w wyniku, czego, w przewodniku powstaje pole elektryczne skierowane przeciwnie do pola zewnętrznego. Ruch nośników ustaje z chwilą skompensowania pola zewnętrznego przez wewnętrzne. Rezultatem indukcji elektrycznej jest naładowanie elektrycznie przewodnika. Zjawisko influencji wykorzystuje się w elektryzowaniu przewodników oraz w maszynach elektrostatycznych, służących do otrzymywania ładunków elektrycznego [np. generator van de Graffa, maszyna elektrostatyczna influencyjna A.J. Töplera]) powierzchnia gruntu pod ujemnie naładowaną częścią chmury ładuje się dodatnio. Powstaje sytuacja podobna jak pomiędzy rozdzielonymi dielektrykami okładkami kondensatora (element bierny obwodu elektrycznego składający się zwykle z dwóch przewodników [okładek] odizolowanych od siebie warstwą dielektryku. W wyniku przyłożenia napięcia prądu stałego na jednej okładce kondensatora elektrycznego gromadzi się dodatni ładunek elektryczny, na drugiej ujemny, a w dielektryku powstaje pole elektryczne. Energię zgromadzoną w dielektryku wykorzystuje się w postaci krótkotrwałych impulsów prądu powstających podczas rozładowywania kondensatora elektrycznego [generatory elektryczne wielkiej częstotliwości, lampy błyskowe itp.]. Ponieważ naładowany kondensator elektryczny blokuje przepływ prądu stałego, pozwala natomiast na przepływ prądu zmiennego. Kondensator elektryczny stosuje się w układach prostowniczych i filtrujących. Kondensatory elektryczne znajdują także zastosowanie w obwodach drgań elektrycznych i układach do ich generacji oraz układach całkujących). Gdy różnica potencjałów elektrostatycznych pomiędzy chmurą i gruntem przekroczy wartość krytyczną dochodzi do "przebicia kondensatora" i następuje wyładowanie. Zjawisko to ilustruje rysunek poniżej:


Jak powstaje burza?

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°C 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 15000m. Na tej wysokości temperatura jest bardzo niska (około -60°C). 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.

Rodzaje burz

Jak się okazuje "burze z piorunami" to nie tylko burze deszczowe, ale także burze piaskowe i śnieżne. Do ciekawszych należą te drugie - burze śnieżne. W Polsce należą do rzadkości, ale w wyższych szerokościach geograficznych (południowa Wielka Brytania, Norwegia, Szwecja) to ok. 8% wszystkich burz. Może to mieć związek z ciepłym Prądem Zatokowym, który obmywając zachodnie wybrzeża Europy i niosąc ciepłe powietrze sprzyja powstawaniu burz. Wyładowania występujące w czasie śnieżnego lub piaskowego "burzowania" są słabsze niż podczas "zwykłych" burz (co nie oznacza, że nie są niebezpieczne). Najbardziej ciekawe są burze występujące przy gigantycznych pożarach lasów. Zdarzają się one bardzo rzadko, bo służby ratownicze docierają do miejsca pożaru stosunkowo szybko, ale w historii można spotkać opisy burzy powstającej z oparów i dymu wytworzonych podczas pożarów.

Pioruny

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 10-16 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)

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.


Rozkład ładunków elektrycznych w dojrzałej chmurze burzowej (Rys. 1)

Na dnie chmury zgromadzony jest tak duży ładunek ujemny, że między nią a Ziemią powstaje ogromna różnica potencjałów rzędu 20, 30 mln V (a nawet 100 mlnV!). Dla porównania przy pięknej bezchmurnej pogodzie różnica potencjałów między Ziemią, a górnymi warstwami atmosfery (jonosferą) wynosi około 400 tys. V. Na każdy metr wysokości przypada różnica aż około 100V. Bez obawy, nawet wysokich np. dwu metrowych 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 Ziemi. 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 Ziemi. Dobrze to widzi z kosmosu satelita meteorologiczny. W każdym takim wyładowaniu przenoszony jest ładunek od 20 do 30C (C, jednostka ładunku elektrycznego w układzie SI, zdefiniowana, jako ładunek elektryczny przepływający w czasie 1s. przez powierzchnię, gdy prąd elektryczny płynący przez tę powierzchnię wynosi 1A. Także jednostka strumienia elektrycznego. Nazwa pochodzi od nazwiska fizyka francuskiego Ch.A. Coulomba)! 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 5s! Czyli po 5s 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 1500km. 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 2,5h. 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 części sekundy). Duża błyskawica wytwarza w tym czasie energię od 1000 do 2000kWh. 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.

Na pytanie, czym są błyskawice znalazł odpowiedź amerykański uczony i polityk Benjamin Franklin (1706-1790), który udowodnił, że są to wyładowania elektryczne. W lipcu 1752 roku przeprowadził swój słynny eksperyment. 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.