↑ Powrót do Dydaktyka

Pioruny

Kalkulator odległości

Piorunowi często towarzyszy grom dźwiękowy oraz zjawisko świetlne zwane błyskawicą. Jeśli chcesz poznać odległość pioruna od siebie policz czas jaki upłynął od ujrzenia błyskawicy do usłyszenia grzmotu. Każda sekunda to około 340 metrów od Ciebie!

Czas: s. Odległość: m.

Wyładowaniu elektrycznemu (przepływowi prądu elektrycznego w izolatorze następującemu pod wpływem pola elektrycznego) towarzyszy potężna energia. Główna jej część zostaje rozproszona w postaci ciepła w powietrzu tworzącym kanał plazmy, niewielka jej część przekształca się na błysk i grzmot. Część pierwotnej energii elektrycznej zostaje rozładowana w punkcie uderzenia łuku elektrycznego w powierzchnię ziemi, co może być bardzo niebezpieczne dla znajdujących się w pobliżu ludzi oraz urządzeń.

Jak rodzi się piorun

Kiedy różnica potencjałów stanie się wystarczająco duża, może rozpocząć się wyładowanie elektryczne. Według hipotezy zaproponowanej przez Aleksandra Gurewicza z Instytutu Lebiedewa w Rosji drogę wyładowania pilotującego wytyczają wysokoenergetyczne cząstki promieniowania kosmicznego. Zderzenie kosmicznego przybysza z atomem powietrza prowadzi do powstania kaskad cząstek wtórnych wytwarzających strumienie elektronów. W ten sposób w górnej naładowanej ujemnie części chmury rozpoczyna się wyładowanie pilotujące (lider, prekursor). Strumienie naładowanych cząstek pokonują odległość do ziemi skokami o długości od 30 do 50 metrów. Zachodzi przy tym jonizacja powietrza, co zmniejsza opór elektryczny. Cały proces może trwać od ok. 10 do ok. 100 milisekund (tysięcznych części sekundy). Często wyładowanie pilotujące rozdziela się na wiele odnóg, z których tylko jedna dociera jako pierwsza do celu.

Kiedy cały kanał od ziemi do chmury jest zjonizowany, znacznie zmniejsza się opór powietrza, co pozwala na przepływ znacznej ilości ładunku. Wyładowanie główne porusza się ze znacznie mniejszą prędkością rzędu 10 000 km/s (prędkość tzw. PILOTA wynosi 30 000 km/s). Główny impuls trwa kilkadziesiąt milionowych części sekundy, a przepływ prądu zanika zwykle po kilkuset.
Kiedy ujemne wyładowanie zbliży się do ziemi, od dołu wyrusza mu na spotkanie jego dodatni odpowiednik. Zwykle jego źródłem są wysoko położone obiekty (drzewa, maszty, budynki). Prawa elektrostatyki powodują, że bardzo skutecznym źródłem dodatniego wyładowania pilotującego są ostro zakończone metalowe przedmioty (patrz Ognie świętego Elma). Natężenie prądu wynosi około 250 000 A, napięcie około 30 milionów V.

Czasami wyładowanie główne pochodzące z chmury nazywane jest udarem przewodnim. Po nim występuje zwykle udar powrotny, w którym ładunek dodatni płynie z ziemi do chmury tym samym kanałem. Zwykle każde uderzenie powrotne jest opóźnione o 30-tysięcznych części sekundy.
Wyładowanie główne niesie ze sobą prąd o napięciu 10 do 100 milionów V i natężeniu od 30 do 50 kA, ale zdarzają się i wyładowania wytwarzające 150 kA. W czasie uderzenia przepływa ładunek rzędu 5 kulombów, a całkowita energia odpowiada 140 kWh (504 MJ). Taka ilość energii wystarczyłaby, aby żarówka o mocy 100 W świeciła się przez dwa miesiące. Odpowiada to również energii wybuchu 122 kg trotylu. Średnie dane dotyczące piorunów mogą się różnić zależnie od warunków atmosferycznych typowych dla danego klimatu.

W co uderza piorun?

Ognie świętego Elma (ognie św. Bartłomieja, ognie Kastora i Polluksa) – zjawisko akustyczno-optyczne w postaci małych, cichych, ciągłych, wyładowań elektrycznych na różnych powierzchniach, a szczególnie krawędziach przedmiotów, mające miejsce w czasie pogody zapowiadającej burzę. Wyładowaniom tym mogą towarzyszyć bardzo ciche dźwięki w postaci syczenia lub świstu, a czasem może być to nawet głośny gwizd.

Zjawisko pojawić się może na powierzchni skał, drzew, masztów, anten, lin. Występuje w różnych miejscach, ale najłatwiej zaobserwować je w górach lub na morzu. Wyładowania te są niegroźne, a można je zaobserwować nawet na wyciągniętej ręce. Ognie św. Elma pojawiają się podczas pogody zwiastującej zbliżanie się burzy z piorunami, chociaż nie zawsze do tego dochodzi. W skrajnych przypadkach zjawisko to może występować nawet podczas burzy. Efekty świetlne w czasie widnego dnia są niewidoczne, ale o brzasku, zmierzchu i w nocy, oraz podczas bardzo silnego zachmurzenia widać je w postaci łuny lub świetlnych miotełek wytryskujących z różnych miejsc.

Na statkach szczególnie wydatnie zjawisko to występuje na końcach masztów, ponieważ gęstość ładunku w naładowanych przewodnikach jest zawsze największa tam, gdzie promień krzywizny powierzchni jest najmniejszy (a więc np. na ostrzu).
Marynarze nazwali te wyładowania "ogniami świętego Elma" prawdopodobnie dlatego, że niegroźne zjawiska odczytywali jako wysłuchanie modlitw zanoszonych podczas burz do Boga za wstawiennictwem świętego. Według legendy bowiem święty Elmo miał nie bać się uderzających obok niego piorunów.

Same ognie św. Elma nie są w ogóle groźne, ale duża ich intensywność świadczy o wysokiej różnicy potencjałów elektrycznych pomiędzy ziemią i warstwą chmur, co powinno być ostrzeżeniem dla obserwatora, że w każdej chwili gdzieś w okolicy może uderzyć piorun.
Ognie św. Elma występują także podczas przelotu samolotu przez naładowaną elektrostatycznie chmurę lub chmurę pyłów wydobywających się podczas erupcji wulkanu. Wtedy to drobne, ostre drobinki pyłu trą o krawędzie natarcia skrzydeł, powodując wyładowania elektrostatyczne, a także jasną poświatę.

Czy można przeżyć?