Piorun

Film pokazujący wyładowanie atmosferyczne

Błyskawica

Piorun

Błyskawice i pioruny nad Wilnem

Piorun

Błyskawice zarejestrowane aparatem fotograficznym Canon A75

Częstotliwość błyskawic w ciągu roku na km²

Piorun – w meteorologii bardzo silne wyładowanie elektryczne w atmosferze powstające naturalnie, zwykle towarzyszące burzom. Piorunowi często towarzyszy grom dźwiękowy oraz zjawisko świetlne zwane błyskawicą. Może ono przybierać rozmaite kształty i rozciągłości, tworzyć linie proste lub rozgałęziać się do góry lub w dół. Występują błyskawice, które widoczne są jedynie jako rozjaśnienie powierzchni chmury, inne znów w ciągu ułamka sekundy przypominają swym kształtem świecący sznur pereł.

Podczas uderzenia pioruna wyzwala się potężna energia. Główna jej część zostaje rozproszona w postaci ciepła w powietrzu tworzącym kanał plazmy tzn. ogrzanie i jonizacja składników powietrza w kanale, energia cieplna w większości rozprasza się, niewielka jej część przekształca się na błysk i grzmot, który słychać na odległość 16-24 km. 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.

Wewnątrz chmury burzowej wieją silne wiatry mieszające krople wody i drobiny lodu, które trą mocno o siebie. Lód przemieszcza się ku górze chmury, po drodze oddając elektrony wodzie, więc szczyt chmury staje się elektrododatni.

Skutki uderzeń pioruna

Piorun może wywołać pożar. Uderzenia rozrywają pnie drzew i mury, potrafią oderwać płyty kamienne wykładzin dachowych, murów ważące do 100 kg i odrzucić je na kilka metrów, przepalają cienkie druty, wywołują uszkodzenia instalacji elektrycznych, telefonicznych i innych opartych o metalowe przewody, niszczą urządzenia elektryczne. Temperatura w kanale przewodzenia pioruna jest tak wielka, że krzemionka zawarta w ziemi w miejscu uderzenia topi się, tworząc naturalne szkło nazywane fulgurytem. Działanie na urządzenia elektryczne wywołane jest poprzez bezpośrednie uderzenie pioruna w sieć elektroenergetyczną, a także w przypadku indukowania się napięcia tzw. impulsu elektromagnetycznego, gdy piorun uderzy w pobliżu sieci.

Impuls ten powstaje wskutek wytworzenia przez prąd elektryczny pioruna krótkotrwałego pola magnetycznego. Indukuje on napięcie we wszystkich obwodach i urządzeniach elektrycznych (w tym w liniach elektroenergetycznych, sieciach telekomunikacyjnych, instalacjach antenowych itp.) znajdujących się w pobliżu miejsca uderzenia pioruna. Napięcie impulsu blisko uderzenia jest tak duże, że może spowodować poważne uszkodzenia i zniszczenia sieci oraz przyłączonych do tych sieci urządzeń.

W celu ochrony przed skutkami przepięć wywołanych przez impuls elektromagnetyczny w sieciach elektroenergetycznych stosowane są specjalne aparaty elektryczne zwane ochronnikami przepięciowymi

Wyładowania atmosferyczne zagrażają aparaturze elektronicznej w dwojaki sposób:

Parametry wyładowania piorunowego:

Wartość szczytowa prądu określa natężenie prądu, który może popłynąć przez kanał piorunowy wskutek uderzenia pioruna. Załóżmy że wartość szczytowa prądu pioruna, który uderzył w budynek wynosi 140 kA. Niech rezystancja uziemienia (bezindukcyjnego) budynku wynosi 2 omy (obowiązujące w Polsce przepisy wymagają wartość mniejszą od 10 omów PN-EN 60364). Napięcie związane z przepływem tego prądu wynosi 280 kV. Jeżeli nie zostały zainstalowane ochronniki przepięciowe takiemu właśnie zakłóceniu zostaną poddane linie zasilające i telekomunikacyjne.

Czas narastania prądu jest kolejnym parametrem wyładowania. Im jest on krótszy, tym krótszy jest impuls elektromagnetyczny powstający podczas wyładowania. Napięcie zakłócające, które może się indukować podczas przepływu fali elektromagnetycznej jest proporcjonalne właśnie do wartości tego parametru. Pole elektromagnetyczne powstałe podczas wyładowania ma wąskie widmo w zakresie fal długich. Dlatego może z łatwością wnikać do wnętrza budynków. Dodatkowo, ma ono charakter magnetyczny co utrudnia ekranowanie. Napięcie indukowane przez taki impuls może osiągać wartości 100 V/m² (w przypadku gdy piorun uderzył 100 m od urządzenia, dziesięciokrotne skrócenie tej odległości powoduje dziesięciokrotny wzrost SEM).

Zasady ochrony przed piorunami

Błyskawica przeskakująca między chmurami

W czasie burzy nie wolno się kąpać, chodzić na spacery, stawać pod samotnie rosnącymi drzewami (prąd wyładowania przepływajacy rdzeniem drzewa doprowadza do gwałtownego odparowania znajdującej się w nim wody i w efekcie bardzo groźnego wybuchu), w pobliżu wysokich metalowych masztów, w które często uderza piorun ani w pobliżu linii elektroenergetycznych.

Osoba przebywająca na otwartej przestrzeni powinna znaleźć pomieszczenie, budynek, ziemiankę i ukryć się w nim. Z braku innej możliwości schronić się w zagłębieniu terenu, nie kłaść się na ziemi. Najbezpieczniej jest ukucnąć ze złączonymi i podciągniętymi do siebie nogami, ponieważ po uderzeniu pioruna, w wyniku rozpływu ładunku w postaci prądów powierzchniowych, może dojść do przepływu prądu między stopami poprzez ciało ofiary (skutek powstania różnicy napięć, tzw. napięcia krokowego). Należy odrzucić lub położyć na ziemi duże przedmioty metalowe przewodzące prąd. Trzeba również oddalić się od zbiorników i cieków wodnych (podobnie połacie wilgotnego mchu stanowią zagrożenie). Osoby znajdujące się w górach powinny niezwłocznie zejść ze szczytów i grani, około 100 metrów niżej, najlepiej na stronę zawietrzną (przeciwną do kierunku zbliżania się burzy). Mogą one usiąść na plecakach (nie na stelażu!), tak aby odizolować się od podłoża i zabezpieczyć przed wtórnym porażeniem od prądów powierzchniowych. Próbując kryć się w jaskiniach lub wnękach trzeba uważać, aby nie znaleźć się w miejsach, w których można stać się "pomostem" dla przepływających prądów (np. wejścia jaskiń, wąskie lub niskie groty). Strop powinien znajdować się co najmniej 3 metry nad nami, a ściany 1 metr od nas. Nie można dotykać wysokich, pionowych ścian skał. Bardzo dobrymi miejscami na schrony są wnętrza klatek, kratownic (w tym i masztów), wagoników kolejki górskiej. Nie wolno jednak dotykać metalowych elementów konstrukcji. Także samochody chronią przed piorunem. Wymienione obiekty spełniają funkcję klatki Faradaya. Grupy osób pozostające na otwartej przestrzeni powinny się rozproszyć w odległości do kilkudziesięciu metrów, tak by na wypadek porażenia część grupy mogła udzielić pomocy porażonym.

Budynki i inne wysokie konstrukcje muszą być zabezpieczone piorunochronem, chroniącym je w czasie burzy. Instalacje elektryczne, w tym i sieci przesyłowe zabezpiecza się bezpiecznikami przeciwprzepięciowymi

W domu podczas burzy należy unikać korzystania z telefonów stacjonarnych przewodowych oraz urządzeń elektrycznych, przede wszystkim tych obsługiwanych ręcznie. Korzystanie z tych urządzeń grozi porażeniem impulsem rozchodzącym się w przewodach instalacji. Sprzęt domowy, zwłaszcza elektronikę – RTV, komputery itp. należy odłączyć od sieci elektrycznej i innych instalacji przewodowych (np. instalacji antenowych, telekomunikacyjnych, sieci internetowych, TV kablowej itp.), co zapewni ochronę tych urządzeń przed wyładowaniami atmosferycznymi.

Chmury burzowe

Krupy lodowe, zdjęcie pod mikroskopem elektronowym

Uważa się, że ładunek elektryczny w powietrzu powstaje w wyniku powszechnie znanych mechanizmów elektryzowania głównie przez indukcję elektrostatyczną oraz pocieranie. Choć główny mechanizm jest znany, to szczegóły zjawisk zachodzących w chmurach burzowych są niezwykle złożone a opis hipotetyczny.

Kiedy na skutek zderzenia zimnych i ciepłych mas powietrza powstaje silny prąd wznoszący, tworzą się chmury burzowe (kłębiasto-deszczowe, cumulonimbus) mające wysokość nawet kilkunastu (10-20) kilometrów. Ruch powietrza powoduje wzajemne zderzanie ze sobą kryształów lodu oraz kropel wody. Dotykanie się lub pocieranie ciał wykonanych z różnych substancji albo z jednakowej substancji ale różnej budowie krystalicznej bądź też o różnych temperaturach wywołuje elektryzowanie się tych ciał. Kiedy krople w chmurze burzowej są gwałtownie unoszone do góry, w ciągu krótkiego czasu ich temperatura spada do -10 °C, -20 °C i zamarzając tworzą krupy lodowe. Krupy zderzają się z już zamrożonymi kryształkami lodu, co pozostawia na nich niewielki ujemny ładunek. Kryształki otrzymują ładunek dodatni. Każde zetknięcie się i rozdzielenie ciał znajdujących się w polu elektrycznym elektryzuje oba ciała przeciwnymi ładunkami. Proces ten zachodzi gdy wznoszące się powietrze znajdzie się w pobliżu już naelektryzowanego obszaru, podczas zderzania się krup lodowych lub też podczas rozpadu lub tylko ocierania się kropelek wody. Zjawisko elektryzowania przez indukcję staje się szczególnie wydajne gdy chmura lub obszar obok niej jest już w pewnym stopniu naelektryzowany i odgrywa główną rolę w elektryzowaniu się chmury.

Prąd powietrza rozdziela lżejsze kryształki lodu od krup unosząc je do góry. Krupy opadają na dół chmury i w ten sposób powstaje różnica potencjałów rzędu od 10 do 100 milionów woltów.

W latach 90. XX w uczeni zwrócili uwagę na elektryzowanie powietrza przez promieniowanie gamma. Zewnętrzne warstwy atmosfery są stale bombardowane promieniowaniem gamma, promieniowanie to jest pochłaniane przez powietrze, podczas pochłaniania z atomów wybijane są elektrony, dodatnie jony pozostają w miejscu, a wybite elektrony poruszają się w kierunku ruchu (głównie w dół) wybijającego je promieniowania, po przebyciu kilku centymetrów zatrzymują się i przyłączają do atomów powietrza. W wyniku tego procesu między jonosferą i powierzchnią Ziemi powstaje różnica potencjałów.