Burza

Jak daleko jest burza?

Pamiętacie sposób na ustalenie jak daleko uderzył piorun? W popularnej wersji podwórkowej trzeba było policzyć sekundy między widzialną błyskawicą a słyszalnym grzmotem. Wynik miał oznaczać liczbę kilometrów. Czy ta metoda ma jakieś podstawy? Jak możemy ustalić w jakiej odległości od nas doszło do wyładowania? 

Grzmot to przybierający różne natężenie i charakter (od pomruku po głośny trzask) odgłos wytworzony przez piorun. Starożytni wierzyli, że powoduje go zderzenie chmur, a najbardziej popularna koncepcja mówi o fali uderzeniowej powstałej w wyniku rozgrzania powietrza otaczającego piorun. Niedawno zakwestionowano jednak tę teorię skłaniając się raczej do wyjaśnień związanych z efektami elektrodynamicznymi wywoływanymi przez ogromny prąd przebiegający z chmur do powierzchni Ziemi. 


Popularny sposób obliczania, jak daleko uderzył piorun z grubsza działa, jednak liczba sekund nie przekłada się dosłownie na liczbę kilometrów. Dźwięk pokonuje około 340 metrów w ciągu jednej sekundy (wartość ta zmienia się wraz ze wzrostem lub spadkiem temperatury otoczenia). Kiedy więc zobaczymy błyskawicę, należy policzyć sekundy dzielące ją od grzmotu i liczbę tę pomnożyć przez 340. Otrzymamy w ten sposób odległość w metrach. Jeśli upłynęło np. 5 sekund, oznacza to, że miejsce, w którym uderzył piorun znajduje się 1700 metrów (1,7 km) od nas. 

Metoda ta została spopularyzowana, aby zapobiec porażeniom piorunem. Amerykański Narodowy Serwis Pogodowy zaleca np., żeby zacząć szukać bezpiecznego schronienia, jeśli odstęp między błyskawicą a grzmotem wynosi mniej niż 30 sekund. Oznacza to po prostu, że burza znajduje się w odległości mniejszej niż 10 kilometrów i dość szybko może dosięgnąć lokalizacji, w której się znajdujemy. 

Komórki burzowe przemieszczają się z prędkością zależną od wiatru, a ten potrafi być przy takich zjawiskach pogodowych szczególnie porywisty. Jeśli więc znajdujesz się na trasie burzy, a od zaobserwowanej błyskawicy do usłyszenia grzmotu minęło np. 10 sekund, oznacza to, że pioruny mogą pojawić się nad twoją głową w ciągu mniej niż pięciu minut! 

Ciemne błyskawice nad naszymi głowami

Naukowcy zaobserwowali emisję wysokoenergetycznego promieniowania poprzedzającą pojawienie się zwykłej błyskawicy. To tzw. „ciemna błyskawica”, która – jak przypuszczają badacze – zawsze towarzyszy wyładowaniom atmosferycznym. Pioruny, które widzimy i słyszymy podczas burzy są więc bardziej skomplikowanym zjawiskiem niż dotąd sądzono. 

– Nasze wyniki wskazują, że ciemna i jasna błyskawica są elementami składowymi jednego procesu – powiedział Nikolai Østgaard, szef zespołu badawczego z Uniwersytetu w Bergen. 

Wyniki badań norweskich naukowców opublikowano w czasopiśmie "Geophysical Research Letters". 

Ciemna błyskawica to nagła emisja promieniowania gamma powstająca podczas burzy, wywołana przez bardzo szybko poruszające się elektrony, które zderzają się z cząsteczkami wchodzącymi w skład powietrza. Badacze uważają, że to najbardziej energetyczne promieniowanie powstające naturalnie na Ziemi. 

Inne jego źródło to np. reakcja jądrowa. Rozbłyski gamma są też efektem zjawisk kosmicznych zachodzących daleko od Ziemi – nagłych eksplozji supernowych, a także zderzeń dwóch gwiazd lub gwiazdy i czarnej dziury. Do czasu zaobserwowania ciemnych błyskawic naukowcy nie przypuszczali, że na Ziemi powstają takie rozbłyski w wyniku procesów innych niż reakcje jądrowe. 

W 2006 roku dwa niezależne satelity – jeden wyposażony w czujniki optyczne, a drugi w detektory promieniowania gamma – przypadkowo znalazły się nad burzą szalejącą nad Wenezuelą. Udało im się wówczas zarejestrować potężne wyładowanie. Naukowcy nie zauważyli, że jasną błyskawicę poprzedziło inne zjawisko. Zapis z satelitów był jednak w ubiegłym roku analizowany ponownie przez zespół Østgaarda. Naukowcy zauważyli wówczas rozbłysk gamma. Okazało się, że wyładowaniu towarzyszy także emisja fal radiowych poprzedzających pojawienie się widzialnej błyskawicy. 

Naukowcy opracowali koncepcję powstawania ciemnych błyskawic - ich zdaniem wywołuje je silne poleelektryczne kształtujące się bezpośrednio przed powstaniem widzialnej błyskawicy. Takie pole tworzy kaskadę elektronów, które poruszają się z prędkością bliską prędkości światła. Kiedy elektrony zderzają się z cząsteczkami tworzącymi powietrze, wygenerowane zostaje promieniowanie gamma, a elektrony o niższej energii, które utworzyły pole elektryczne, wytwarzają silny impuls radiowy. To wszystko dzieje się jeszcze przed pojawieniem się świetlnej błyskawicy. 

Wbrew pozorom, naukowcy nadal nie wiedzą wielu rzeczy dotyczących burz i powstających w nich wyładowań elektrycznych. Od czasu słynnego eksperymentu Benjamina Franklina z latawcem i kluczem wiemy, że piorun to ujemny ładunek elektryczny poruszający się między chmurą a powierzchnią Ziemi. W dalszym ciągu nie wiadomo natomiast, w jaki sposób pole elektryczne powstaje w chmurze – jak oddzielają się od siebie ładunki dodatnie i ujemne. 

Zgodnie z najbardziej prawdopodobną teorią dzieje się to w wyniku pocierania o siebie kropel wody, drobin lodu lub pyłów. Kiedy różnica potencjałów stanie się wystarczająco duża, następuje wyładowanie elektryczne. Nie wiadomo jednak, w jaki sposób ładunek przechodzi przez powietrze w kierunku powierzchni Ziemi. Jedna z ciekawszych koncepcji wyjaśniających to zjawisko (autorstwa rosyjskiego naukowca Aleksandra Guriewicza z Instytutu Fizyki im. Lebiediewa w Moskwie) głosi, że w powstawaniu błyskawic bierze udział promieniowanie pochodzące spoza Drogi Mlecznej. 

– Ciemna błyskawica może być naturalnym zjawiskiem, którego w ogóle nie byliśmy dotąd świadomi – komentuje Østgaard. – Ale to dzieje się tuż nad naszymi głowami, co jest bardzo fascynujące. 

Tajemnice błyskawic

Błyskawice od zawsze budzą w ludziach podziw i jednocześnie strach. Jest to niezwykle piękne zjawisko atmosferyczne, choć niosące za sobą śmiertelne niebezpieczeństwo. Do dziś nie udało się jednak wyjaśnić mechanizmu powstawania błyskawic. 

W czerwcu 1752 roku przeprowadzono przełomowy eksperyment, który pozwolił nam nieco zbliżyć się do wyjaśnienia zagadki tego zjawiska. Wtedy to Benjamin Franklin za pomocą latawca i przymocowanego do niego metalowego klucza udowodnił elektryczną naturę błyskawicy. 

Okazało się, że błysk rozdzierający niebo podczas burzy to nic innego, jak ujemny ładunek poruszający się między chmurą a ziemią. Przez kolejnych 250 lat starano się wyjaśnić mechanizm powstawania błyskawicy. Do dzisiaj jednak nie udało się wytłumaczyć w pełni tego zjawiska, choć powstało kilka bardzo prawdopodobnych teorii. 

Czego nie wiemy? 

Jak dochodzi do rozdzielenia się ładunku dodatniego i ujemnego w chmurze? Jest to podstawowe pytanie, od którego trzeba zacząć badanie błyskawic. Bez takiego podziału nie mogłoby bowiem nastąpić wyładowanie elektryczne. 

Naukowcy uważają, że za ten proces odpowiedzialne są zjawiska elektryzowania przez indukcję oraz pocieranie. W górnych warstwach chmury, ze względu na panującą tam niższą temperaturę, powstają mikroskopijne kryształki lodu. Te zderzają się z kroplami wody, oddając im jednocześnie część swoich elektronów. Naładowane ujemnie cząsteczki opadają na dno chmury, a dodatnie kryształki lodu unoszą się jeszcze wyżej. 

Szczegóły tego procesu są jednak ciągle nieznane. Co więcej, nie ma pewności czy rozdzielanie się ładunków podczas burzy zachodzi właśnie w opisany powyżej sposób. 

Kolejną niewiadomą stanowi moment inicjacji błyskawicy. Dotychczasowe pomiary pola elektrycznego powstającego w chmurze burzowej wykazały, że jest ono zbyt słabe, aby mogły w powietrzu powstać warunki sprzyjające wyładowaniu. Błyskawica jednak się pojawia, a naukowcy nie mają pomysłu, jak to wyjaśnić. 

Poza wątpliwościami dotyczącymi inicjacji samego wyładowania elektrycznego w chmurze, pozostaje jeszcze pytanie dotyczące tego, jak ładunek może „przechodzić” przez powietrze, które jest izolatorem elektrycznym, czyli nie przewodzi prądu. 

Aktualna hipoteza głosi, że błyskawica powstaje dzięki strumieniowi wysokoenergetycznych cząstek promieniowania kosmicznego, które zderzając się z atomami wchodzącymi w skład powietrza, tworzą kaskady tzw. cząstek wtórnych. Te natomiast wytwarzają strumienie elektronów. Takiemu procesowi towarzyszy jonizacja powietrza, dzięki czemu zmniejsza się opór elektryczny i błyskawica może „przebiec” po niebie. Jest to jednak jedynie kolejna nieudowodniona jeszcze teoria. 

Choć posiadamy wiele zaawansowanych technicznie urządzeń pomiarowych i potrafimy już sztucznie wytwarzać błyskawice w laboratoriach, to zapewne minie jeszcze wiele lat zanim uda nam się rozwikłać wszystkie zagadki dotyczące zjawisk zachodzących w przyrodzie. 

zrodlo: www.odkrywcy.pl