Jak powstaje burza i co przyciąga pioruny?

Pioruny to dość tajemnicze zjawiska i wciąż wielu rzeczy o nich nie wiemy. Na przykład tego, jaka jest rola w ich powstawaniu promieniowania kosmicznego? W tym artykule opowiem o tym, co przyciąga pioruny oraz jak powstaje burza.

Co to jest piorun? Czy wiemy o nim wszystko?

Zwykle widzimy, jak lecą z nieba ku ziemi, ale zdarza się, że błyskają pomiędzy chmurami, a nawet z chmur ku górze w kierunku jonosfery. Burze najczęściej pojawiają się latem i na ogół częściej występują w górach. Choć może się to wydawać dziwne, nie do końca wiadomo, jak powstaje piorun. Bez wchodzenia w szczegóły generalnie wszystko wiemy, ale jak wchodzimy w szczegóły, to pojawiają się takie detale, o których nie mamy specjalnie pojęcia. A więc co to jest piorun? W skrócie mówiąc, piorun to wyładowania elektryczne. Ładunek elektryczny zgromadzony w jednym miejscu przeskakuje w inne, gdzie jest go mniej.

Ale od początku, najpierw fizyka!

Jak na fizyka cząstek przystało każdą opowieść lubię zacząć od początku, więc zaczynam. Materia wokół nas zbudowana jest z atomów. Atomy węgla, tlenu, żelaza, czegokolwiek. One 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 elektrycznie jest obojętny. To znaczy, że liczba dodatnich protonów w jądrze jest taka sama jak liczba krążących wokół niego ujemnych elektronów.

Rozdzielenie ładunków i mini pioruny

W niektórych sytuacjach zdarza się jednak, że ta równowaga zostaje zaburzona. Zdarza się tak na przykład, gdy pocieramy o siebie przedmioty wykonane z różnych materiałów albo materiałów o różnej temperaturze. Każdy to obserwuje, np. przy zakładaniu swetra wykonanego z włókien syntetycznych. Gdy przeciska się przez głowę, włosy ocierają się o włókna materiału i następuje właśnie takie rozdzielenie ładunków.

W sumie liczba plusów i minusów nie zmienia się. Zmienia się za to ich położenie. Jeden materiał ma nadmiar plusów, a drugi minusów. Przy zakładaniu swetra słychać czasami takie trzaski. I to właśnie są takie niewielkie wyładowania elektryczne. Takie mini pioruny. Ładunki ujemne przeskakują z ciała z nadmiarem minusów na obiekt z nadmiarem plusów. Co to wszystko ma wspólnego z chmurą i z piorunami?

Pionowy wiatr i szybki ruch kropel

We wnętrzu chmury burzowej wieje bardzo silny wiatr. Szczególnie często, jak się wydaje, pionowo. W efekcie w chmurze panuje ciągły i bardzo szybki ruch zamarzniętych kropel wody i kryształów lodu. Jedne przemieszczają się ku górze, bardzo szybko się ochładzając, inne z kolei spadają. Zderzają się ze sobą, ocierając się o siebie, a przy okazji elektryzują. Kryształki lodu elektryzują się dodatnio. Podczas gdy zamarznięte krople wody, tzw. krupy, ujemnie. Krupy są cięższe od kryształów lodu i opadają na dno chmury. W efekcie spód chmury ma nadmiar ładunków ujemnych, a sam jej szczyt dodatnich. Ładunki jednoimienne odpychają się, więc w dole chmury jest nadmiar ładunków ujemnych. Z powierzchni ziemi pod chmurą ładunki ujemne uciekają.

Im bardziej dół chmury jest naładowany ujemnie, tym bardziej powierzchnia ziemi pod chmurą jest naładowana dodatnio. Ładunki o przeciwnych znakach jednak się przyciągają, więc te minusy z dołu chmury chętnie przeskoczyłyby na plusy na powierzchni ziemi.

Czy wyładowanie przeskoczy między dwoma ciałami?

To zależy od wielu czynników.

1. Jednym z nich jest tzw. różnica potencjałów, mówiąca o różnicy w liczbie ładunków zgromadzonych pomiędzy obiektami. Im więcej minusów na dnie chmury, tym łatwiej przeskoczą one na powierzchnię ziemi.
2. Drugim czynnikiem jest odległość, na jaką miałyby przeskoczyć. Im ta odległość jest mniejsza, tym łatwiej o wyładowania. To m.in. dlatego pioruny częściej uderzają w wieże kościołów czy w obiekty znajdujące się na szczytach wzniesień. Mają po prostu mniejszą drogę do przebycia.
3. Ważna jest także wilgotność powietrza. To jest kolejny czynnik. Im większa, tym łatwiej dochodzi do wyładowania.
4. Liczy się także kształt przedmiotu – to też jest bardzo istotne. Pioruny chętnie uderzają w obiekty o ostro zakończonych kątach.

Jak powstaje piorun i jaką wybiera drogę?

Pomiędzy chmurą burzową a ziemią powstaje właśnie ta różnica potencjałów. Jest to różnica rzędu dziesiątek, a czasami nawet setek milionów woltów. To wystarczy, by doszło do tzw. wyładowania. Nie do końca wiadomo, co zapoczątkowuje i dlaczego piorun leci taką, a nie inną drogą, by dotrzeć na Ziemię. Ładunek elektryczny wybiera zawsze drogę o najmniejszym oporze. Takie drogi wytyczane mogą być przez cząstki kosmiczne, cząstki promieniowania kosmicznego o bardzo wysokich energiach. Wlatują one w atmosferę, zderzają się z atomami atmosfery i jonizują je, czyli wybijają nadmiar elektronów. W efekcie swojego przejścia zostawiają w atmosferze taki tunel, w którym panuje znacznie mniejszy opór elektryczny. Tunel ten to swego rodzaju autostrada dla ładunków z chmury.

Nigdy on nie jest linią prostą, właśnie dlatego, że cząsteczki promieniowania kosmicznego zderzają się z atomami atmosfery i o trochę wygląda jak kula bilardowa.

Jak powstaje wyładowanie?

Bardzo ciekawy jest sam moment powstawania wyładowania.

1. Przed piorunem chmurę burzową opuszcza tzw. prekursor. To jest niewielka ilość ładunku, który skokowo porusza się od chmury ku powierzchni Ziemi z prędkością kilkudziesięciu tysięcy kilometrów na sekundę. Całe zjawisko trwa nie więcej niż kilka tysięcznych części sekundy i w zasadzie jest nie do zauważenia nieuzbrojonym okiem.
2. Tuż za prekursorem chmury opuszcza ten piorun właściwy. Ten porusza się wolniej, bo „zaledwie” z prędkością kilku tysięcy kilometrów na sekundę, ale za to niesie nieporównywalnie większą energię.
3. Pioruny mają długość kilku kilometrów i szerokość wspomnianego już tego takiego tunelu pozostawionego przez cząstki kosmiczne, kilkadziesiąt centymetrów, choć główny ładunek porusza się w kanale o grubości zaledwie kilku centymetrów.

Natężenie wyładowania głównego może wynosić ponad 100 tysięcy amperów, a napięcie dziesiątki milionów woltów. Całkowita energia setki kilowatogodzin. Niestety nie potrafimy wykorzystać energii piorunów, a badacze, którzy tego próbowali, często przypłacali to życiem. A bardzo szkoda, bo byłoby o co walczyć. Na całej Ziemi w ciągu jednej doby pioruny przenoszą energię rzędu bilionów, bilionów kilowatogodzin.

Przeczytaj także:

Sezon na kleszcze – jak się chronić przed kąsającymi pajęczakami? Kompleksowy poradnik

7 skutecznych rad, jak przetrwać upały?