Pioruny – rodzaje i cechy szczególne

 

 

Wprowadzenie

„Piorun – potężne wyładowanie elektryczne pomiędzy dwiema chmurami albo pomiędzy chmurą a ziemią, któremu towarzyszy huk i błyskawica” – tak to pojęcie definiowane jest przez słownik języka polskiego PWN[1]. To stawia pojęcie pioruna w jasnym świetle jako proste zjawisko, które można zakwalifikować do rzeczy poznanych. Niejednokrotnie mamy do czynienia z wyładowaniami w życiu codziennym (chociażby elektryczna zapalarka do kuchenki gazowej, albo zwyczajnie naelektryzowany sweter). Reakcja na szalejącą nad naszymi głowami burzę z piorunami jest zależna od obserwatora. Zazwyczaj budzi on lęk, często też staje się obiektem zachwytu. Nierzadko też jest zupełnie obojętnym tym, którzy czyją się w jakiś sposób „nietykalni”. Jednak w zdecydowanej większości przypadków, piorun jest piorunem i jaki by on nie był, jest odbierany tak samo. Prawdą jest, że wyładowanie wyładowaniu nie równe i tak jak jeden rodzaj to niemalże gwarantowana katastrofa, tak spotkanie z innym można przetrwać bez najmniejszego uszczerbku na zdrowiu. (Rys.1)

Rys.1. Cumulonimbus we Wrocławiu z widocznymi wyładowaniami liniowymi  między poszczególnymi częściami chmury. (archiwum prywatne)

Podział piorunów

Ze względu na kształt błyskawicy, sposób w jaki powstaje i jakie szkody może wywołać, podzielono je na kilka rodzajów:

• Liniowe
• Płaskie
• Kuliste
• Wstęgowe
• Paciorkowe (Łańcuszkowe)
• Miotełkowe

Pioruny liniowe

Najczęściej spotykane i prawdopodobnie najlepiej poznane. Praktycznie podczas każdej burzy obserwujemy rozgałęzione błyskawice, które rozświetlają na chwilę szarą scenerię. Mogą mieć od kilku do kilkunastu kilometrów długości, ale bywają też dłuższe. Powiedzenie „jak grom z jasnego nieba” nie jest do końca wyssane z palca, bowiem można zostać trafionym przez piorun jeszcze wtedy, gdy niebo nad głową jest bezchmurne. Z lekcji fizyki zapewne wiele osób pamięta, że teoretycznie wyładowanie biegnie po najkrótszej drodze. Prawdą jest też jednak to, że prąd płynie tam, gdzie napotyka najmniejszy opór. To właśnie dlatego piorun nigdy nie jest prosty jakby ktoś odrysował go od linijki. Wije się za to wybierając najkrótszą trasę z tych, które najlepiej przewodzą prąd. Wilgotne powietrze w strefie opadów jest dobrym przewodnikiem, dlatego to właśnie tam notuje się najwięcej wyładowań. Podobnie jest też w przypadku ciepłego i zanieczyszczonego powietrza.

Temperatura błyskawicy osiąga nawet 25 000K, co jest wartością 4 razy większą niż temperatura powierzchni Słońca. I choć takie wartości wskazywać by mogły na pewną zagładę i jednakowe zniszczenia w przypadku każdego wyładowania, to jednak da się wyróżnić jeszcze dwa pioruny:

• Burzące – trwające krótko, o bardzo wysokim natężeniu. Gdy trafia w dom lub drzewo, wnikając w jego strukturę, natychmiast odparowuje wodę zawartą w danym obiekcie, a powstałe w ten sposób potężne ciśnienie po prostu rozsadza ścianę lub pień, a odłamki nierzadko są wyrzucane na dość duże odległości. To jeden z powodów, dla którego nie zaleca się szukania schronienia pod drzewem.
• Zapalające – trwają dłużej niż burzące a ich natężenie jest mniejsze. Wysoka temperatura, która oddziałuje więcej czasu powoduje zapłon i w związku z tym pożary.

Jak powstaje wyładowanie? Na początku gromadzą się ogromne ilości ładunków. Napięcie między chmurą, a ziemią dochodzi nawet do 100mln V. Pierwszym wyładowaniem jest wyładowanie pilotujące, które ruchem skokowym, jonizując powietrze przed sobą, porusza się w kierunku ziemi, ale zwykle nie dociera do ziemi. Jego kanałem startuje wyładowanie wstępne, poruszające się również skokowo ale nieco wolniej. Jego świecenie jest intensywniejsze niż jego poprzednika. Oba powtarzają się po sobie do czasu aż dotrą dość blisko ziemi. Wtedy z powierzchni (najczęściej z wyższych obiektów, gdzie ładunki mają tendencję do gromadzenia się), wybiega mu naprzeciw mniejsze, kilkunastometrowe wyładowanie. Gdy zetknął się ze sobą następuje przepływ prądu od ziemi do chmury. Gdy ładunki dotrą do chmury, następuje przepływ właściwy, a wyraźny piorun jest widoczny na niebie. Cały proces ilustruje schemat poniżej (Rys.2.)

Rys.2. Przebieg wyładowania atmosferycznego. (opracowanie własne)

Pioruny kuliste

Najbardziej interesujące i zagadkowe. Rzadko obserwowane, choć podejrzewa się, że są dość powszechne w czasie burzy, ale pozostają niezauważone. To rozżarzone kule gazu. Nie zawsze mają kształt idealnie kulisty. Mogą przyjmować postać dysku, kropli, owalu, pręta i z czasem zmieniać kształt. Zdarzają się takie, które wirują, połowa z zaobserwowanych piorunów posiada ogon, a około 20% wydziela iskry. Bywają otoczone aureolą, dymem lub płomieniem. Widziano różnokolorowe kule w kolorze białym, żółtym i bladoniebieskim. Czasami zdarza im się zmieniać kolor, stopniowo przechodząc od niebieskiego do czerwieni. Mogą syczeć, warczeć, trzaskać, czasem wydają dźwięki podobne do tłuczonego szkła, silnika odrzutowego, a w przypadku eksplozji jest to huk. Towarzyszy im zapach spalenizny, ozonu, siarkowodoru, lub siarki. Ciężko określić jest czas trwania zjawiska, zwykle jest to około kilkunastu sekund jednak mało kto widział zarówno powstanie pioruna jak i jego koniec. Problem jest również ze znalezieniem wiarygodnych dowodów na wystąpienie tego rodzaju pioruna.

Fenomenem jest sposób w jaki się porusza. Robi to pod wiatr, robi uniki przed przeszkodami, według opowieści naocznych świadków może przenikać przez ściany, szyby i im podobne. Potrafi się też przeciskać przez szczeliny. Na temat jego powstawania powstały liczne teorie, jednak żadna z nich nie została jeszcze jednoznacznie potwierdzona.

• Badania z 2012 – zapis spektroskopu pokazał, że skład światła to krzem, żelazo i wapń. Teoria dotycząca parowania krzemu w temperaturze pioruna, który w tych warunkach paruje i utlenia się świecąc. W czasie badań piorun kulisty uniósł się z powierzchni gleby w miejscu uderzenia pioruna liniowego.[2]
• Inna teoria głosi, że piorun kulisty wytwarza się na drodze dwóch piorunów liniowych biegnących równolegle, ale w przeciwne strony. Możliwe jest to też na przegięciu błyskawicy liniowej. Kula utrzymywana jest wtedy przez wzajemną równowagę siły odśrodkowej i ciśnienia atmosferycznego.[3]
• Na podstawie licznych obserwacji zauważono, iż piorun kulisty może pojawić się w związku w piorunem paciorkowym lub też w miejscu zaniku wyładowania liniowego. (Rys.3)

Rys.3. Połączenie pięciu zdjęć wykonanych w ciągłej serii. Po licznych wyładowaniach liniowych pojawił się świetlisty punkt widoczny na dwóch ostatnich fotografiach. Na ostatnim zdjęciu jest zauważalnie większy w związku z kierunkiem przemieszczania się w stronę obserwatora. Chwilę po wykonaniu tej serii zdjęć, piorun zniknął za widoczną po prawej stronie kamienicą. Piorun zaobserwowany w czasie burzy 8 lipca 2015.
(archiwum prywatne)

Jak się zachować w obliczu pioruna kulistego? Przede wszystkim nie robić gwałtownych ruchów i nie panikować. Każdy ruch powoduje zawirowania powietrza, robimy „wiatr”, a przecież rozżarzona kula gazów właśnie pod wiatr się porusza co sprawić może, że sami niejako go na siebie ściągniemy. Nie wolno też na niego dmuchać, z tego samego powodu, o którym wspomniano powyżej. Można jedynie bardzo powoli zejść mu z drogi i nie pozwolić się dotknąć. Jeśli nie jest to możliwe, sytuację uratować może dobry izolator, na przykład gazeta. Należy się nią zasłonić. Jeśli piorun się od niej odbije i uda się w przeciwnym kierunku, można odetchnąć z ulgą. Zdarza się jednak, że przylegnie to niej i wtedy pod żadnym pozorem nie należy nim rzucać, ani go dotykać. Trzeba ostrożnie odłożyć gazetę i powoli oddalić się od niej. Naruszenie struktury pioruna grozi jego wybuchem, co prawdopodobnie skończy się zupełnym zniszczeniem pomieszczenia w którym się znajdujemy, a na świeżym powietrzu może doprowadzić do urazu narządu słuchu i innych obrażeń.

Pioruny paciorkowe

Inaczej nazywane też łańcuszkowymi, są prawdopodobnie najrzadsze. Wielu naukowców i pasjonatów, wątpi w ich istnienie. Brak wiarygodnych danych, wyraźnych zdjęć czy chociaż dokładnych opisów słownych zjawiska. Widoczny jest w postaci łańcuszka i występuje w kanale wyładowania liniowego. Zwykle ma większą średnicę od swojego poprzednika i przybiera barwę czerwono ‑ pomarańczową. 13.06.2015 we Wrocławiu podczas gwałtownej burzy na terenie Śródmieścia w dach jednego z budynków uderzył piorun liniowy. Na jego miejscu pojawiły się na około pół sekundy pojedyncze paciorki o szerszym kanale i lekko pomarańczowym odcieniu. (Rys.4)

Rys.4. Powstanie pioruna paciorkowego.  (opracowanie własne)

Należy ostrożnie podchodzić do oceny czy dany piorun jest paciorkowy czy też nie, gdyż z obserwacji wynika, że w niektórych przypadkach zanikające bliskie wyładowanie liniowe może wyglądać podobnie. Nie wykluczone też, że wspomniane zanikanie jest też rodzajem pioruna paciorkowego. Ciężko o naukowo i jednoznacznie udokumentowany przypadek tego rodzaju pioruna.

Pioruny płaskie

Prawdopodobnie są obserwowane najczęściej, praktycznie w czasie każdej burzy. Uważa się je za najmniej groźne, gdyż nie docierają do ziemi w związku z czym nie zagrażają niczemu co znajduje się na jej powierzchni. Rozświetlają niebo bez widocznej błyskawicy liniowej (Rys.5) jakby od środka.

Rys.5. Błyskawica plaska nad Wrocławiem 8 lipca 2015. (archiwum prywatne)

Ich pochodzenie nie jest do końca jasne. Najprawdopodobniej jest to piorun liniowy wewnątrz chmury, który ją oświetla. Jest to teoria logiczna dla większości społeczeństwa. Jest też teoria, że jest to bardzo rozległe wyładowanie liniowe (silnie rozgałęzione) lub ma ono postać bardzo szybkiego, następującego po sobie iskrzenia nieprzybierającego formy błyskawicy a raczej będącego formą reakcji elektrycznej na większej powierzchni. Towarzyszą raczej słabszym burzom. W szerokościach geograficznych Polski spotykane są najczęściej wiosną i jesienią.

Pioruny miotełkowe

Bardziej znane jako Ognie Świętego Elma. To zjawisko akustyczno-optyczne. Są to małe i ciche wyładowania szczególnie na krawędziach przedmiotów, masztach itp. Związane są z kumulowaniem się ładunków przyciąganych przez chmurę o odwrotnym potencjale. Widoczne w postaci małych snopiących miotełek, jednak tylko w nocy. Za dnia pozostają niewidoczne. Poznać je można po cichym syczeniu lub w przypadku większego natężenia zjawiska, gwiździe. Są niegroźne, a w przeszłości żeglarze uważali je za dobry omen. (Rys.6)[4]Duża intensywność zjawiska może jednak sugerować rychłe uderzenie pioruna w to miejsce. Wtedy należy oddalić się w bezpieczne miejsce.

Rys.6. Ilustracja obrazująca ognie świętego Elma na masztach okrętu.

Inna strona wyładowań

No dobrze, więc mamy pioruny, które rozświetlają chmury, rażą ludzi, rozbijają ściany, pokazują swój wdzięk nie dotykając jednocześnie ziemi i takie, które zamieniają się w łańcuszki lśniących pereł. Pomijając pioruny kuliste, miotełkowe i płaskie (chyba, że za jedyną właściwą teorię uzna się tą o wyładowaniu liniowym wewnątrz chmury), można zauważyć, że chociaż w jakimś stopniu każdy piorun to podłużna iskra wyrównująca potencjał elektryczny, czyli mniej lub bardziej piorun liniowy. Czy zatem można uznać, że są takie same? Oczywiście nie, ale nie tylko z powodów rozważanych do tej pory.

Wyładowania atmosferyczne dzielimy ogólnym sposobem na:

• IC (ang. IntraCloud i InterCloud) – to wyładowania wewnątrzchmurowe (intra) oraz międzychmurowe (inter)
• CG (ang. Cloud-to-Ground) – to wyładowania doziemne, czyli wyrównanie potencjału na linii ziemia-chmura.

Do tego, ważny jest też fakt, czy piorun jest dodatni czy ujemny. Zdecydowana większość należy do drugiej grupy i stanowi łącznie blisko 95% wyładowań (z czego 75% to IC, a 20% CG).[5]

Skąd te różnice? W czasie formowania potężnych chmur Cumulonimbus, ładunki elektryczne rozdzielają się i gromadzą na krańcach chmury: przewaga dodatnich na górze, ujemnych na dole. Na obszarze pod chmurą, na powierzchni ziemi zbierają się dodatnie ładunki, a poza nim zostają ujemne. Ujemne wyładowania występują więc głownie pod chmurą, zwłaszcza w strefie opadów, gdzie jak już zostało wspomniane, powietrze stawia najmniejszy opór.(Rys.7) To ich dotyczy większość informacji odnośnie podziałów na rodzaje.

Rys.7.  Wyładowania ujemne (IC- i  CG-). (opracowanie własne)

Są też wyładowania doziemne dodatnie. Wychodzą z kowadła Cumulonimbusa i przebywają długą drogę, aż do ujemnie naładowanych partii powierzchni ziemi. Ze względu na odległość jaką muszę przejść są znacznie potężniejsze i niebezpieczne niż wyładowania ujemne. Około pięciokrotnie silniejsze i gorętsze, trwające nawet do dziesięciu razy dłużej, potrafią uderzyć w obiekty oddalone od chmury o nawet 50-80km. To właśnie do nich odnosi się określenie „grom z jasnego nieba” i to one są najbardziej nieprzewidywalne. Prawdopodobnie mają też wpływ na występowanie innych fenomenalnych zjawisk jak wyładowania ponad chmurami.

Rys.8. Wyładowanie CG+. (opracowanie własne)

Blue Jets, Red Sprites, Elves

Oprócz „tradycyjnych” piorunów, są też rzadko spotykane i słabo poznane zjawiska elektryczne pochodzące z chmur burzowych.

• Blue Jets – występują ponad chmurami, ale jeszcze w troposferze, na poziomie około 15-18 km. Mogą sięgać do 40 kilometrów nad ziemią, przechodząc przez całą stratosferę. (wyjątkowe przypadki sięgają aż do jonosfery, są najrzadsze)
• Red Sprites – czerwone zabarwienie, występują w mezosferze. Pierwszy rozbłysk pojawia się na wysokości około 60-65 km i rozwija się do dołu, a potem znów w górę.
• Elves – poziome rozbłyski na wysokości około 100 kilometrów nad ziemią, których średnica może sięgać nawet 400 kilometrów. Są jak dotąd najsłabiej zbadane ze względu na wysokość występowania. Powstają pod wpływem pobudzonych cząsteczek azotu przy zderzeniach elektronowych. Możliwe, że elektrony są pobudzane impulsami pochodzącymi z wyładowań w jonosferze.[6]

 

Autor: Daria Babś

Edycja: Jakub Stradomski

[1] Słownik języka polskiego PWN: http://sjp.pwn.pl/sjp/piorun;2500515.html [dostęp 27.03.2016]

[2] CrazyNauka:http://www.crazynauka.pl/tajemnica-pioruna-kulistego-czesciowo-rozwiazana/ [dostęp 25.09.2015]

[3] Szczeciński Czesław Meteorologia dla wszystkich, Wydawnictwo komunikacji i łączności, Warszawa 1961

[4] Rys.6: pl.wikipedia.org [dostęp 1.04.2016]

[5] http://www.weatherimagery.com/blog/positive-negative-lightning/ [dostęp 10.04.2016]

[6] http://www.sky-fire.tv/index.cgi/spritesbluejetselves.html [dostęp 11.04.2016]