Co to jest piorun i jak powstaje?

Pochodzenie chmur burzowych

Mgła unosząca się wysoko nad ziemią składa się z cząstek wody i tworzy chmury. Większe i cięższe chmury nazywane są cumulusami. Niektóre chmury są proste — nie powodują błyskawic ani grzmotów. Inne nazywane są burzami, ponieważ tworzą burzę, tworzą błyskawice i grzmoty. Chmury burzowe różnią się od zwykłych chmur deszczowych tym, że są naładowane elektrycznością: niektóre są dodatnie, inne ujemne.

Jak powstają chmury burzowe? Każdy wie, jak silny jest wiatr podczas burzy. Ale jeszcze silniejsze wiry powietrzne tworzą się wyżej nad ziemią, gdzie lasy i góry nie utrudniają ruchu powietrza. Ten wiatr generuje głównie dodatnią i ujemną elektryczność w chmurach.

W środku każdej kropli znajduje się dodatnia elektryczność, a taka sama ilość ujemnej elektryczności znajduje się wzdłuż powierzchni kropli. Spadające krople deszczu są chwytane przez wiatr i wpadają do prądów powietrza. Wiatr, uderzając z siłą w kroplę, rozbija ją na kawałki.W tym przypadku oderwane zewnętrzne cząsteczki kropelki zostają naładowane elektrycznością ujemną.

Pozostała większa i cięższa część kropli jest naładowana dodatnim ładunkiem elektrycznym. Część chmury, w której gromadzą się ciężkie kropelki, jest naładowana dodatnio. Deszcz padający z chmury przenosi część energii elektrycznej z chmury na ziemię, w wyniku czego między chmurą a ziemią powstaje przyciąganie elektryczne.

na ryc. 1 pokazuje rozkład energii elektrycznej w chmurze i na powierzchni ziemi. Jeśli chmura jest naładowana ujemną elektrycznością, to starając się ją przyciągnąć, dodatnia elektryczność ziemi zostanie rozłożona na powierzchni wszystkich wyniesionych obiektów przewodzących prąd elektryczny. Im wyżej obiekt stoi na ziemi, tym mniejsza jest odległość między górą a dołem chmury i tym mniejsza pozostaje warstwa powietrza, która wydziela przeciwną elektryczność. Oczywiste jest, że w takich miejscach piorun łatwiej wnika w ziemię. Powiemy ci więcej na ten temat później.

Ryż. 1. Dystrybucja energii elektrycznej w chmurze burzowej i obiektach naziemnych

Co powoduje piorun?

Zbliżając się do wysokiego drzewa lub domu, działa na nie chmura burzowa naładowana elektrycznością. na ryc. 1 chmura naładowana ujemną elektrycznością przyciąga dodatnią elektryczność na dach, a ujemna elektryczność domu trafi do ziemi.

Zarówno elektryczność – w chmurze, jak i na dachu domu – mają tendencję do wzajemnego przyciągania się. Jeśli w chmurze jest dużo elektryczności, wówczas w domu powstaje dużo elektryczności pod wpływem tego wpływu.

Tak jak napływająca woda może zerodować tamę i wpaść do potoku, zalewając dolinę w swoim nieskrępowanym ruchu, tak elektryczność, gromadząca się w coraz większym stopniu w chmurze, może w końcu przebić się przez warstwę powietrza oddzielającą ją od powierzchni ziemi i pędzić do ziemi, do przeciwnej elektryczności. Nastąpi silne wyładowanie – między chmurą a domem prześlizgnie się iskra elektryczna.

To jest piorun, który uderza w dom. Wyładowania atmosferyczne mogą wystąpić nie tylko między chmurą a ziemią, ale także między dwiema chmurami naładowanymi różnymi rodzajami energii elektrycznej.

Im silniejszy wiatr, tym szybciej chmura ładuje się elektrycznością. Wiatr wykonuje pewną ilość pracy, która polega na oddzieleniu dodatniej i ujemnej elektryczności.

Jak rozwija się piorun?

Najczęściej piorun uderzający w ziemię pochodzi z chmur naładowanych ujemną elektrycznością. W ten sposób rozwija się uderzenie pioruna z takiej chmury.

Najpierw małe ilości elektronów zaczynają płynąć z chmury do ziemi wąskim kanałem, tworząc coś w rodzaju prądu w powietrzu.

na ryc. 2 pokazuje tę inicjację formowania się pioruna. W części chmury, w której zaczyna się tworzyć kanał, zgromadziły się elektrony posiadające dużą prędkość ruchu, dzięki czemu zderzając się z atomami powietrza, rozbijają je na jądra i elektrony.

Ryż. 2. W chmurze zaczyna pojawiać się błyskawica

Uwolnione w tym przypadku elektrony również pędzą na ziemię i ponownie zderzając się z atomami powietrza, rozdzielają je.To tak, jak z opadami śniegu w górach, kiedy najpierw mała grudka stacza się w dół, rośnie pokryta przyklejonymi do niej płatkami śniegu i przyspieszając swój lot, staje się wielką lawiną.

I tutaj lawina elektronów wychwytuje nowe objętości powietrza, rozbijając jego atomy na kawałki. W tym przypadku powietrze jest ogrzewane, a wraz ze wzrostem temperatury wzrasta jego przewodność. Zmienia się z izolatora w przewodnik. Przez powstały przewodzący kanał powietrza z chmury prąd zaczyna coraz bardziej drenować. Elektryczność zbliża się do Ziemi z ogromną prędkością, sięgającą 100 kilometrów na sekundę.

W setnych częściach sekundy lawina elektronów dociera do ziemi. To kończy tylko pierwszą, że tak powiem, „przygotowawczą” część błyskawicy: błyskawica dotarła do ziemi. Druga, główna część rozwoju Lightning ma dopiero nadejść. Rozważana część formacji błyskawicy nazywana jest przewodnikiem. To obce słowo oznacza po rosyjsku „lidera”. Przewodnik ustąpił miejsca drugiej, potężniejszej części błyskawicy; ta część nazywana jest częścią główną. Gdy tylko kanał dotrze do ziemi, prąd zaczyna przez niego przepływać znacznie gwałtowniej i szybciej.

Teraz istnieje połączenie między ujemną elektrycznością zgromadzoną w kanale i dodatnią elektrycznością, która spadła na ziemię wraz z kroplami deszczu, a poprzez działanie elektryczne następuje wyładowanie elektryczności między chmurą a ziemią. Takie wyładowanie to prąd elektryczny o ogromnej sile — ta siła jest znacznie większa niż siła prądu w konwencjonalnej sieci elektrycznej.

Prąd płynący w kanale bardzo szybko wzrasta, a po osiągnięciu maksymalnej siły zaczyna stopniowo maleć.Piorunochron, przez który przepływa tak silny prąd, bardzo się nagrzewa i dlatego jasno świeci. Ale czas przepływu prądu w wyładowaniu piorunowym jest bardzo krótki. Wyładowanie trwa bardzo małe ułamki sekundy, a zatem energia elektryczna wytwarzana podczas wyładowania jest stosunkowo niewielka.

na ryc. 3 przedstawia stopniowy ruch piorunochronu w kierunku ziemi (pierwsze trzy cyfry po lewej stronie).

Ryż. 3. Stopniowy rozwój piorunochronu (trzy pierwsze cyfry) i jego zasadniczej części (trzy ostatnie cyfry).

Ostatnie trzy ryciny przedstawiają odrębne momenty formowania się drugiej (głównej) części pioruna. Osoba patrząca na flesz nie byłaby oczywiście w stanie odróżnić jej przewodnika od głównej części, ponieważ podążają one za sobą niezwykle szybko, po tej samej ścieżce.

Po podłączeniu dwóch różnych rodzajów energii elektrycznej prąd zostaje przerwany. Zwykle pioruny nie kończą się na tym. Często nowy lider natychmiast biegnie wzdłuż ścieżki przetartej pierwszym rzutem, a za nim, na tej samej ścieżce, znów znajduje się oko rzutu. To kończy drugie rozładowanie.

Może istnieć do 50 takich oddzielnych kategorii, z których każda składa się z własnego lidera i głównego korpusu. Najczęściej jest ich 2-3. Pojawienie się oddzielnych wyładowań powoduje, że pioruny są przerywane i często osoba patrząca na błyskawicę widzi jej migotanie. To właśnie powoduje migotanie lampy błyskowej.

Czas między powstaniem oddzielnych wyładowań jest bardzo krótki. Nie przekracza setnych części sekundy.Jeśli liczba wyładowań jest bardzo duża, czas trwania pioruna może sięgać całej sekundy lub nawet kilku sekund.

Rozważaliśmy tylko jeden rodzaj wyładowań atmosferycznych, który jest najbardziej powszechny.Błyskawica ta nazywana jest błyskawicą liniową, ponieważ gołym okiem wygląda jak linia — wąski, jasny pas bieli, jasnoniebieskiego lub jasnoróżowego.

Piorun liniowy ma długość od setek metrów do wielu kilometrów. Ścieżka pioruna jest zwykle zygzakowata. Błyskawica często ma wiele gałęzi. Jak już wspomniano, liniowe wyładowania atmosferyczne mogą wystąpić nie tylko między chmurą a ziemią, ale także między chmurami.

Piorun kulisty

Oprócz liniowego występują jednak znacznie rzadziej inne rodzaje wyładowań atmosferycznych. Rozważymy jeden z nich, najciekawszy — piorun kulisty.

Czasami zdarzają się wyładowania atmosferyczne, które są kulami ognia. Jak powstaje piorun kulisty, nie zostało jeszcze zbadane, ale dostępne obserwacje tego interesującego rodzaju wyładowań atmosferycznych pozwalają nam wyciągnąć pewne wnioski.

Najczęściej piorun kulisty ma kształt arbuza lub gruszki. Trwa stosunkowo długo — od ułamka sekundy do kilku minut.

Najczęstszy czas trwania pioruna kulistego wynosi od 3 do 5 sekund. Najczęściej piorun kulisty pojawia się pod koniec burzy w postaci świecących na czerwono kul o średnicy od 10 do 20 centymetrów. W rzadszych przypadkach jest również duży. Na przykład sfotografowano piorun o średnicy około 10 metrów.

Piłka może czasami być oślepiająco biała i mieć bardzo ostre kontury. Piorun kulisty zwykle wydaje syczący, brzęczący lub syczący dźwięk.

Piorun kulisty może zniknąć po cichu, ale może emitować cichy trzask, a nawet ogłuszającą eksplozję. Kiedy znika, często pozostawia ostrą, pachnącą mgiełkę. W pobliżu ziemi lub w pomieszczeniu piorun kulisty porusza się z prędkością biegnącego człowieka — około dwóch metrów na sekundę.Może chwilę pobyć w spoczynku, a taka "osiadła" kulka syczy i ciska iskry, aż zniknie. Czasami wydaje się, że piorun kulisty jest napędzany przez wiatr, ale zwykle jego ruch jest niezależny od wiatru.

Pioruny kuliste są przyciągane do zamkniętych przestrzeni, gdzie przenikają przez otwarte okna lub drzwi, a czasem nawet przez małe szczeliny. Fajki to dla nich dobry sposób; dlatego kule ognia często wychodzą z piekarników w kuchniach. Po przebyciu pokoju, kula błyskawicy opuszcza pokój, często wychodząc tą samą drogą, którą wszedł.

Czasami piorun wznosi się i opada dwa lub trzy razy w odległości od kilku centymetrów do kilku metrów. Równocześnie z tymi wzlotami i upadkami kula ognia czasami porusza się w kierunku poziomym, a następnie błyskawica kulista wydaje się wykonywać skoki.

Często piorun kulisty „osadza się” na drutach, preferując najwyższe punkty lub toczy się po drutach, na przykład wzdłuż rur drenażowych. Poruszające się po ciałach ludzi, czasem pod ubraniem, kule ognia powodują poważne oparzenia, a nawet śmierć. Istnieje wiele opisów przypadków śmiertelnych uszkodzeń ludzi i zwierząt przez piorun. Piorun cieplny może spowodować bardzo poważne uszkodzenia budynków.

Gdzie uderza piorun?

Ponieważ piorun jest wyładowaniem elektrycznym przez grubość izolatora - powietrza, najczęściej występuje tam, gdzie warstwa powietrza między chmurą a jakimkolwiek obiektem na powierzchni ziemi będzie mniejsza. Pokazują to bezpośrednie obserwacje: piorun uderza w wysokie dzwonnice, maszty, drzewa i inne wysokie obiekty.

Jednak piorun pędzi nie tylko do wysokich obiektów.Z dwóch sąsiednich masztów o równej wysokości, jednego drewnianego, a drugiego metalowego, stojących niedaleko siebie, piorun rzuci się na metalowy. Dzieje się tak z dwóch powodów: po pierwsze, metal znacznie lepiej przewodzi prąd niż drewno, nawet gdy jest mokry. Po drugie, metalowy maszt jest dobrze połączony z ziemią, a energia elektryczna z ziemi może swobodniej przepływać do masztu podczas opracowywania przyponu.

Ta ostatnia okoliczność jest szeroko stosowana do ochrony różnych budynków przed piorunami. Im większa powierzchnia metalowego masztu stykającego się z ziemią, tym łatwiej prąd z chmury przedostaje się do ziemi.

Można to porównać do wlewania strumienia płynu przez lejek do butelki. Jeśli otwór w lejku jest wystarczająco duży, strumień trafi prosto do butelki. Jeśli otwór w lejku jest mały, płyn zacznie przelewać się przez krawędź lejka i wylewać na podłogę.

Piorun może uderzyć nawet w płaską powierzchnię ziemi, ale jednocześnie pędzi tam, gdzie przewodnictwo elektryczne gleby jest większe. Na przykład piorun uderza w mokrą glinę lub bagno wcześniej niż w suchy piasek lub kamienistą suchą glebę. Z tego samego powodu pioruny uderzają w brzegi rzek i strumieni, preferując je od wysokich, ale suchych drzew, które wznoszą się w ich pobliżu.

Ta cecha pioruna — pęd do dobrze uziemionych i dobrze przewodzących ciał — jest szeroko stosowana do wdrażania różnych urządzeń ochronnych.