092 Detekcja Lokalizacja Wyladowan Atmosferycznych

PAWE BODZAK

DETEKCJA I LOKALIZACJA WYADOWA ATMOSFERYCZNYCH

WARSZAWA 2006

PAWE BODZAK - DETEKCJA I LOKALIZACJA WYADOWA ATMOSFERYCZNYCH

1. 2. 3.

Wstp.................................................................................................................................. 5 Historia bada nad wyadowaniami atmosferycznymi. ................................................... 8 Fizyka wyadowa atmosferycznych............................................................................... 22

3.1. Atmosfera ziemska jako globalny obwd elektryczny. .................................................. 22 3.2. Proces powstawania chmur generujcych wyadowania atmosferyczne. ....................... 25 3.3. Procesy elektryzacji chmury burzowej. .......................................................................... 31 3.4. Rodzaje wyadowa atmosferycznych. ........................................................................... 34 3.5. Wyadowania chmurowe................................................................................................. 37 3.6. Wyadowania chmura ziemia. ...................................................................................... 40 3.7. Zjawiska wietlne towarzyszce chmurom burzowym................................................... 49 3.8. Inne typy wyadowa. ..................................................................................................... 52 3.9. Zwizki pomidzy aktywnoci wyadowa atmosferycznych, a innymi parametrami meteorologicznymi................................................................................................................... 57 3.9.1. Zwizki pomidzy aktywnoci wyadowa atmosferycznych, a opadem dla systemw konwekcyjnych..................................................................................................... 58 3.9.2. Zwizki pomidzy aktywnoci wyadowa atmosferycznych, a zawartoci lodu w chmurze. ................................................................................................................................ 59 3.9.3. Zwizki pomidzy aktywnoci wyadowa atmosferycznych, a dynamik i mikrofizyk systemw konwekcyjnych. ............................................................................... 60 3.9.4. Zwizki pomidzy aktywnoci wyadowa atmosferycznych, a zmianami klimatu. 62 4. Metody detekcji i lokalizacji wyadowa atmosferycznych. ........................................... 65

4.1. Parametry fizyczne umo liwiajce detekcj i lokalizacj wyadowa atmosferycznych. 67 4.2. Propagacja fal elektromagnetycznych i akustycznych w atmosferze. ............................ 70 4.3. Detekcja i dyskryminacja wyadowa atmosferycznych. ............................................... 73 4.4. Lokalizacja wyadowa atmosferycznych. ..................................................................... 75 4.4.1. Techniki DF............................................................................................................... 77 4.4.2. Techniki TOA. .......................................................................................................... 81 4.4.3. Techniki mieszane DF & TOA. ................................................................................ 83 4.5. Warunki wyboru lokalizacji punktw pomiarowych. ..................................................... 85 5. Systemy detekcji i lokalizacji wyadowa atmosferycznych........................................... 87

5.1. Parametry operacyjne systemw detekcji i lokalizacji wyadowa atmosferycznych.... 89 -3-


5.2. Systemy naziemne........................................................................................................... 90 5.2.1. Systemy oparte o stacje detekcji i lokalizacji wyadowa atmosferycznych ALDF. 91 5.2.2. System ATD.............................................................................................................. 92 5.2.3. Systemy pracujce w pamie ELF, bazujce na rezonansie Schumanna................. 95 5.2.4. System IMPACT ....................................................................................................... 97 5.2.5. Systemy LDAR. ...................................................................................................... 103 5.2.6. Systemy LPATS...................................................................................................... 106 5.2.7. Systemy wykrywania radiotrzaskw (spherics)...................................................... 108 5.2.8. System SAFIR......................................................................................................... 110 5.2.9. Systemy serii TS x000............................................................................................. 123 5.3. Systemy satelitarne........................................................................................................ 127 5.4. Midzynarodowe sieci systemw detekcji i lokalizacji wyadowa atmosferycznych. 133 6. Zastosowanie danych piorunowych.............................................................................. 139

6.1. Meteorologia. ................................................................................................................ 140 6.2. Lotnictwo. ..................................................................................................................... 142 6.3. Po arnictwo................................................................................................................... 143 6.4. Energetyka..................................................................................................................... 144 6.5. Ubezpieczenia. .............................................................................................................. 145 6.6. Inne zastosowania. ........................................................................................................ 146 7. Dostpno danych piorunowych dla terenu POLSKI. ............................................... 148

7.1. Dane dostpne w IMGW............................................................................................... 149 7.2. Dane z innych systemw............................................................................................... 153 8. Zakoczenie. .................................................................................................................. 157

DODATKI.......................................................................................................................... 160 SOWNICZEK WYBRANYCH POJ ....................................................................................... 161 INDEKS SKRTW ................................................................................................................ 169 BIBLIOGRAFIA ...................................................................................................................... 172

-4-


1. WstpWraz z podpisaniem, w 2000 roku, kontraktu na budow i wdro enie operacyjne systemu detekcji i lokalizacji wyadowa atmosferycznych, w ramach programu modernizacji pastwowej su by hydrologiczno-meteorologicznej - Systemu Monitoringu i Osony Kraju (SMOK), Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej (IMGW) rozpocz now er w dziedzinie obserwacji wyadowa atmosferycznych. Zbudowany w 2001 roku system, nazwany PERUN, rozpocz prac operacyjn w 2002 roku wnoszc do su by now, nieosigaln dotychczas jako. Dane z systemu dostarczaj informacji o minimum 95 % wszystkich wyadowa atmosferycznych, ktre wystpiy na terytorium Polski oraz obszarw pastw ssiednich graniczcych z Polsk. System wykrywa wyadowania wszystkich typw, umo liwia ich dyskryminacj ze wzgldu na rodzaj i czas wystpienia oraz podaje charakterystyczne parametry wyadowa doziemnych takie jak np.: nat enie prdu w kanale wyadowania, czas narastania i czas zaniku impulsu prdowego, polaryzacja wyadowania i inne [1]. W porwnaniu do dotychczasowych obserwacji wyadowa atmosferycznych na stacjach meteorologicznych, sprowadzajcych si do odnotowywania wystpienia burzy w okolicach stacji poprzez obserwacj byskawic i nasuchiwanie grzmotw [2], jest to znaczcy postp. Obserwacje wykonywane na stacjach meteorologicznych s ograniczone gstoci sieci pomiarowej oraz zasigiem rozchodzenia si byskawicy i grzmotu (np.: realny zasig syszalnoci grzmotu wynosi okoo 25 km [3]). Z uwagi na powy sze przyczyny uzyskiwane dane byy niekompletne i mogy si zdarza sytuacje, kiedy wystpujca pomidzy stacjami burza nie bya w ogle odnotowywana. Obecnie dziki systemowi PERUN, w czasie rzeczywistym s wykrywane i lokalizowane wszystkie, doziemne i chmurowe wyadowania atmosferyczne. Ze wzgldu na zaawansowan technologi systemu wdro onego do su by oraz fakt, e system PERUN jest zupenie nowym narzdziem w IMGW, zaistniaa potrzeba przedstawienia pracownikom IMGW aktualnego stanu wiedzy na temat sposobu wykrywania i lokalizacji wyadowa atmosferycznych. Cel ten ma speni niniejsza publikacja, wprowadzajca czytelnika w podstawowe zagadnienia zwizane z m.in.: podstawami fizycznymi opisujcymi procesy rzdzce piorunami, fundamentalnymi zagadnieniami, na ktrych bazuj systemy detekcji i lokalizacji wyadowa atmosferycznych oraz informacjami o systemach pracujcych w innych krajach. Jeden z rozdziaw jest powicony historii bada nad wyadowaniami atmosferycznymi, a inny opisuje mo liwoci zastosowa danych

-5-


generowanych przez systemy detekcji i lokalizacji piorunw. Rozdzia powicony fizyce wyadowa atmosferycznych jest przeznaczony dla czytelnikw bardziej dociekliwych, zainteresowanych tak e samym zjawiskiem, a nie tylko sposobami jego wykrywania i lokalizacji. W rozdziale dotyczcym systemw detekcji i lokalizacji wyadowa atmosferycznych zostay opisane najwa niejsze systemy eksploatowane obecnie na wiecie, tak naziemne jak i satelitarne. Dane z tego typu systemw s w ograniczonym zakresie powszechnie udostpniane na stronach internetowych r nych instytucji. W rozdziale dotyczcym danych burzowych dla terenu Polski zostay wymienione systemy obejmujce dziaaniem nasz kraj oraz strony internetowe, na ktrych mo na znale dane z tych systemw. Zagadnienia poruszane w tej publikacji zostay dobrane w taki sposb, aby czytelnik mg najpierw pozna: krtk histori bada wyadowa atmosferycznych, aktualny stan wiedzy dotyczcy fizyki zjawiska, techniki detekcji i lokalizacji wyadowa atmosferycznych. Te zagadnienia s wstpem do kolejnych rozdziaw opisujcych: systemy detekcji i lokalizacji wyadowa atmosferycznych, dane generowane przez tego typu systemy oraz mo liwe pola ich zastosowa. Z drugiej strony nale y podkreli, e rozdziay zostay skonstruowane w taki sposb, aby mo na je byo czyta oddzielnie, bez wczeniejszego przeczytania poprzednich czci. Z tego powodu cz informacji zawartych we wczeniejszych rozdziaach mo e wystpowa w kolejnych czciach ksi ki. Jednak e w takim przypadku informacje te s ograniczone do minimum, niezbdnego dla zrozumienia zagadnie poruszanych w danym rozdziale. W czci Dodatki zamieszczono w wikszoci autorski sowniczek wybranych, opisywanych w tekcie poj oraz indeks u ywanych tutaj skrtw. Wyjanienia wymaga jeszcze sprawa przyjtej konwencji odnonie stosowanego nazewnictwa zwizanego z zagadnieniami dotyczcymi wyadowa atmosferycznych. Po przestudiowaniu licznych, polskojzycznych publikacji dotyczcych zjawiska wyadowa atmosferycznych oraz konsultacjach m.in.: z Panem Piotrem Baraskim z Instytutu Geofizyki Polskiej Akademii Nauk okazao si, e obecnie nie funkcjonuje w jzyku polskim oficjalnie przyjte nazewnictwo. Dla przykadu mo na poda pochodzcy z jzyka angielskiego termin return stroke. W ksi ce J.L. Jakubowskiego pt.: Piorun ujarzmiony [4] jego polski odpowiednik brzmi: wyadowanie gwne w ksi ce J.V. Iribanea Fizyka atmosfery [5] wyadowanie powrotne, natomiast w gronie specjalistw zajmujcych si ochron odgromow przyjto nazw: udar prdu wyadowania gwnego. Ponadto w wydanym przez IMGW Sowniku Meteorologicznym pod redakcj T. Niedwiedzia [6] brak w ogle -6-


definicji terminw dotyczcych poszczeglnych etapw wyadowa atmosferycznych, a co za tym idzie tak e brak polskich nazw dla poszczeglnych etapw procesw i zjawisk zwizanych z piorunami. Ze wzgldu na brak jednoznacznie przyjtego nazewnictwa, autor przyj konwencj, e obok najwaciwszej zdaniem autora polskiej nazwy, bdcym w przekonaniu autora wiernym tumaczeniem z jzyka angielskiego zosta umieszczony odpowiednik w jzyku angielskim. Uwzgldniajc powy sze czynniki trzeba podkreli, e stosowana tutaj

nomenklatura jest nazewnictwem autorskim i w celu uniknicia dwuznacznoci obecnie najlepiej stosowa okrelenia angielskojzyczne. Na koniec nale y zwrci uwag czytelnikw na fakt dynamicznego rozwoju systemw detekcji i lokalizacji wyadowa atmosferycznych. Ze wzgldu na opracowywanie i budow nowych systemw tego typu w niniejszej publikacji zostay uwzgldnione tylko systemy (Rozdzia 5), ktrych opisy byy powszechnie dostpne (materiay konferencyjne, ksi ki, strony internetowe, czasopisma naukowe) w momencie zbierania danych niezbdnych do napisania tej ksi ki. Wszystkim czytelnikom ycz miej lektury, a w przypadku wtpliwoci lub uwag, w szczeglnoci krytycznych, prosz o kontakt w celu wyjanienia niejasnoci.

-7-


2. Historia bada nad wyadowaniami atmosferycznymi.Wyadowanie atmosferyczne jest zjawiskiem, z ktrym czowiek zetkn si ju na progu swoich dziejw. Od momentu, w ktrym czowiek sta si istot mylc byskawice budziy w nim trwog, a przez wiele stuleci przypisywano piorunowi mityczne pochodzenie. W mitologiach ludw sowiaskich bogiem gromowadnym by Perun, na Litwie nazywany Perkunem, a na otwie Perkonem. Dla Rzymian bogiem, ktry wada piorunami by Jupiter, za dla Grekw - Zeus. Indianie z plemion pnocnoamerykaskich byli przekonani, e byskawice s miotane przez oczy mistycznego ptaka, ktry trzepoczc skrzydami wytwarza dwik gromu [7]. Dla staro ytnych Grekw pioruny byy kar zsyan na gowy grzesznikw przez Zeusa, ojca Bogw, lub innych czonkw jego rodziny. Natomiast Jupiter ciska gromami nie tylko w przypadku kary, ale tak e, kiedy chcia kogo przestrzec przed niewaciwym zachowaniem. Wikingowie wierzyli, e pioruny powstaway, gdy Thor,

podczas przeja d ki przez chmury uderza motem w swoje kowado. Co ciekawe angielska nazwa pitego dnia tygodnia - Thursday pochodzi od nazwy Thors day czyli Dzie Thora. W jzyku niemieckim pity dzie tygodnia to Donnerstag, czyli w wolnym tumaczeniu: dzie grzmotw (Donner po niemiecku oznacza grzmot, tag dzie). Po wosku Giovedi oznacza dzie Jowisza, gromowadnego Boga [3]. Stosunkowo najdu ej zajo badaczom obalenie teorii o nadprzyrodzonej, czy wrcz mistycznej, naturze pioruna. W Skandynawii wierzono, e meteoryty s tzw.: burzowymi kamieniami bdcymi ukruszonymi kawakami mota Thora. Tak e w wielu innych kulturach wierzono, e meteoryty s powizane z burz i piorunami, bardzo czsto przypisywano im magiczn moc chronic przed wyadowaniami atmosferycznymi. W czasach redniowiecza, uwa ano, e burzy mo na przeciwstawi si biciem w dzwony. Pogld ten przetrwa do drugiej poowy XVIII wieku. Pniej zaczto wysuwa r ne hipotezy o wyadowaniach atmosferycznych. Jedna z nich mwia o tym, e powodem bysku i grzmotu jest wybuch gazu, nie zdoano tylko ustali, jaki to gaz. Natomiast r ne wierzenia i zabobony zwizane z piorunami przetrway prawie do naszych czasw. Wystarczy wspomnie, e jeszcze

kilkadziesit lat temu na polskich wsiach panowa pogld, e przed uderzeniem pioruna mo na si skutecznie obroni wystawiajc w oknie wiec, tzw.: gromnic. Bardzo popularny by te pogld, e osob trafion przez piorun mo e tylko uratowa zakopanie w ziemi a po szyj.

-8-


Jednak to nie tylko strach przed piorunami napdza machin badawcz zmierzajc do ujarzmienia okrutnego zjawiska. Najbardziej do bada przyczyni si sam piorun, a dokadnie zniszczenia oraz straty powodowane przez jego uderzenia. Z bada Schonlanda (1964), ktry bada kroniki niemieckie z XVIII wieku mo na wyczyta, e tylko w 33 letnim okresie pioruny zniszczyy 386 wie kocielnych zabijajc przy tym 103 dzwonnikw. Ze wzgldu na wiar w to, e biciem w dzwony mo na rozproszy chmury burzowe dzwonnicy byli szczeglnie nara eni na pora enie piorunem. Inny przykad to 24 wie e kocielne zniszczone 14 kwietnia 1718 roku na wybrze u Brytanii (Francja) podczas jednej tylko burzy. Kolejnym drastycznym przykadem jest zniszczenie wie y kocioa w Bresci we Woszech. Dodatkowo zgino wtedy okoo 3000 ludzi, czyli szsta cz populacji tego miasta, poniewa w owym kociele zgromadzono okoo 100 ton prochu (gromadzenie broni i prochu w kocioach byo typowe dla tego obszaru w tym czasie). [3] Dziki przypadkowi niektre historyczne budowle nigdy nie zostay zniszczone przez pioruny. Okazuje si, e wiele drewnianych budowli posiadao dach wykonany z metalu, najczciej drewniana konstrukcja dachu bya pokryta metalowym paszczem. Bardzo czsto w paszcz poprzez system rynien, rwnie metalowych, przypadkiem zosta wyposa one w protoplast piorunochronu. Do takich budowli mo na zaliczy wityni w Jeruzalem zbudowan przez Salomona, ktra przetrwaa 10 wiekw bez zniszcze spowodowanych przez pioruny. Dodatkowo miaa ona dach pokryty wystajcymi, ostro zakoczonymi drutami, ktre sprzyjay odprowadzeniu adunku pioruna do ziemi. Nie zostay one tam umieszczone z myl o ochronie odgromowej, a po to by odstraszy ptaki i zodziei. Tak e wie a katedry w Genewie zostaa wyposa ona w metalowy, poczony z gruntem dach. Pioruny byy bardzo niebezpieczne tak e dla wyposa onych w drewniane maszty statkw. Na przykad we flocie brytyjskiej w latach 1799 1815 odnotowano 150 przypadkw zniszcze spowodowanych wyadowaniami atmosferycznymi. Na jednym statku na osiem w wyniku uderzenia pioruna wybuch po ar. Okoo 70 eglarzy zgino, 130 zostao rannych, a 10 statkw zostao cakowicie zniszczonych. Natomiast statek Resistance (z ang. opr), o nazwie wiadczcej o cakowitej odpornoci na prd elektryczny, czyli tak e na pioruny, zosta zniszczony przez wyadowanie atmosferyczne w 1798 roku. [3] Pierwszym krokiem milowym w badaniach piorunw, byo wysunicie hipotezy o materii elektrycznej powstajcych w czasie burzy w chmurze burzowej z oparw siarki i kwasw. Na przeomie XVII i XVIII wieku wysunito hipotez o elektrycznej naturze wyadowania atmosferycznego. Pogld ten podzielali tacy badacze jak: K. Newton, J.A. Nollet i J.H. Winkler. Za elektryczn natur tego zjawiska przemawiay obserwacje, nie -9-


mogce by wwczas waciwie zinterpretowane ze wzgldu na niedostateczny poziom wczesnej wiedzy oraz braku dowiadcze potwierdzajcych t hipotez. Do takich obserwacji mo na zaliczy odkrycie francuskiego ksidza i filozofa P. Gassendi, ktry zaobserwowa, e po uderzeniu pioruna w wie kocieln doszo do jej namagnesowania. [8] Dopiero w 1750 roku amerykaski uczony Benjamin Franklin (1706-1790) wymyli eksperyment, ktry ostatecznie udowodni, e chmury burzowe s naadowane elektrycznie [3]. Przeprowadzenie dowiadczenia wymagao zbudowania specjalnej aparatury pomiarowej (rys. 1). Franklin zaleca zbudowanie na szczycie odpowiednio wysokiej wie y budki w rodzaju budki wartowniczej, mogcej zmieci w rodku: czowieka i odizolowan od gruntu, czyst i such platform. Do rodka tej platformy nale y przymocowa wystarczajco dugi, metalowy prt wychodzcy poza budk, tak by jego koniec znajdowa si 20-30 stp ponad dachem budki. Ponadto kocwka prta powinna by ostro zakoczona. Wedug teorii Franklina, jeli chmury burzowe s naadowane, wtedy w przypadku ich obecnoci ponad budk mo na sprawdzi ich elektryczn natur na dwa sposoby. Pierwszy sposb eksperymentator powinien stan na izolowanej podstawie i jedn rk chwyci prt. Wtedy powinien zaobserwowa wyadowania pomidzy jego drug rk i gruntem. Drugi sposb, bezpieczniejszy dla eksperymentatora, polega na zbli aniu uziemionego metalowego przewodu do metalowego prta poczonego z izolowan podstaw. Zbli any przewd miaby by trzymany poprzez woskow rczk penic rol izolatora. Franklin nie przewidzia, e w przypadku bezporedniego uderzenia pioruna w kocwk metalowego prta istniao du e prawdopodobiestwo miertelnego pora enia piorunem. W maju 1752 roku z powodzeniem eksperyment przeprowadzi we Francji Thomas-Francois DAlibard [9]. Podczas

eksperymentu zaobserwowa on iskry przeskakujce z metalowego prta. By to dowd na to, e chmury burzowe s naadowane. Eksperyment zosta wkrtce powtrzony przez innych badaczy m.in.: we Francji, Anglii, Belgii. Dziki dowiadczeniom Franklin mg wyznaczy tak e rodzaj adunku w dolnym partiach chmur burzowych, poprzez pomiar adunku na metalowym prcie w czasie, gdy chmury burzowe znajdoway si nad budk (rys. 1 A). Na podstawie tych pomiarw wnioskowa, e dolna cz chmury jest naadowana ujemnie. Jego wniosek zosta

potwierdzony dowiadczalnie dopiero na pocztku XX wieku. [3]

- 10 -


Rys. 1. Idea dowiadczenia Benjamina Franklina potwierdzajca fakt elektryzacji chmur burzowych (na podstawie [3]).

W 1753 podczas prby powtrzenia tego eksperymentu zgin pracujcy w Petersburgu naukowiec G.W. Richmann, pierwszy synny uczony, ktry badanie natury pioruna przypaci yciem. Zbudowa on maszyn piorunow zbli on do opisanej przez Franklina. Skadaa si ona z metalowego prta wysokoci 180 cm, umieszczonego na dachu jego pracowni, ktry by poczony izolowanym drutem z elektroskopem w pracowni. Richman zgin, gdy obserwowa wskazania elektroskopu, wskutek przeskoku iskry z tego elektroskopu w momencie bezporedniego uderzenia pioruna w metalowy prt. [10] Zanim Franklin sam przeprowadzi powy szy eksperyment, wymyli lepsz drog zbadania swojej teorii poprzez elektryczny latawiec. Wymyli mianowicie, e dziki latawcowi mo na osign znacznie wiksze wysokoci ni dziki zastosowaniu metalowego prta. Poza tym latawiec mo na puszcza w dowolnym miejscu. Podczas burzy w czerwcu 1752 roku wypuci najsynniejszego latawca w historii. Latawiec uwizany by na linie konopnej, a do drugiego koca liny przywizano metalowy klucz. Przeskok iskry od klucza do ziemi by dowodem na to, e piorun ma elektryczn natur. Dowiadczenie to byo rwnie bardzo niebezpieczne ze wzgldu na mo liwo bezporedniego uderzenia pioruna w latawiec i w wyniku tego pora enia badacza. Idea dowiadczenia Franklina z latawcem zostaa przedstawiona schematycznie na rys. 2. [11]

- 11 -


Rys. 2. Idea dowiadczenia Benjamina Franklina z latawcem. (na podstawie [11])

Od 1749 roku Franklin wysuwa sugestie o mo liwoci zabezpieczenia budynkw i mienia przed piorunami. By wynalazc piorunochronu, ktrego prototypem bya skonstruowana przez niego w 1752 roku 12 metrowa, elazna wie a. Na wie y tej, ustawionej w Marly-la-Ville koo Pary a obserwowano przeskoki iskier w czasie burzy [12]. Pierwsze piorunochrony zostay zainstalowane w 1752 roku we Francji, a w pniejszych latach tak e w innych krajach. Byy one praktycznym przeo eniem wynikw bada nad wyadowaniami elektrycznymi na zastosowania u yteczne. Dziki wynalezieniu piorunochronu znacznie zmniejszya si liczba zniszczonych przez uderzenie pioruna obiektw. I tak np.: dzwonnica kocioa w. Marka w Wenecji bya wielokrotnie niszczona przez pioruny m.in. w latach: 1388, 1417, 1489, 1548, 1565, 1653, 1745. Po zabezpieczeniu jej w 1766 roku, wynalezionym przez Franklina piorunochronem, nie odnotowano dalszych przypadkw zniszcze tej dzwonnicy przez pioruny. Mimo to nawet po wprowadzeniu piorunochronw wiara w mo liwo odstraszania piorunw w czasie burz przez bicie w dzwony bya we Francji tak silna, e w 1787 roku parlament wprowadzi specjalny dekret zakazujcy tego typu praktyk. [3] Niezale nie od bada Benjamina Franklina, prbowano zgbia tajemnice piorunw tak e w innych krajach m.in.: Polsce, Rosji, terytorium obecnych Czech (Morawy), Francji i - 12 -


innych. Wrd badaczy wspczesnych Franklinowi nale y tu wyr ni postacie dwch szczeglnie zasu onych w tej dziedzinie uczonych: Polaka - Jzefa Osiskiego i Czecha Prokopa Divia. Obaj byli osobami duchownymi, jednoczenie naukowcami prowadzcymi badania w wielu r nych dziedzinach nauki. Ksidz profesor Jzef Osiski (1738-1802) nazywany pierwszym polskim elektrykiem by postpowym ksidzem zafascynowanym badaniami naukowymi w r nych dziedzinach, m.in.: fizyce, chemii, biologii, metalurgii. Studiowa wiele dziedzin w r nych orodkach m.in. w Rzeszowie, Midzyrzeczu Koreckim i Warszawie. W 1784 r. wyda pierwsz w Polsce ksi k z zakresu elektrotechniki pt.: Sposb ubezpieczajcy ycie i majtki od piorunw, za ktr otrzyma zoty medal od krla Stanisawa Augusta [13]. Poprzez t ksi k dawa wskazwki jak nale y konstruowa i zakada piorunochrony oraz przedstawi w niej poradnik ratowania osb pora onych piorunami. Zgodnie z zaleceniami biskupa pockiego Michaa Poniatowskiego duchowiestwo miao instalowa piorunochrony, zgodnie z zaleceniami ksidza Osiskiego w podlegej mu diecezji. Pierwszy piorunochron w Polsce, w nomenklaturze tamtych czasw nazywany konduktorem, zao ono w 1778 r. w Warszawie [14]. Wskazwki z zakresu ochrony odgromowej zawarte w ksi ce ks. Osiskiego w wikszoci pokrywaj si z przyjtymi obecnie wytycznymi. W swojej ksi ce ks. Osiski zwraca na istotne cechy dobrej instalacji odgromowej tj.: maej opornoci uziemienia oraz du ego przekroju przewodw, a wic cechy uznawana tak e obecnie za szczeglnie istotne z punktu widzenia ochrony odgromowej [4]. Prokop Divi (1696 1765) by proboszczem w Pmticach koo Znojma. Studiowa w Oomucu i Salzburgu. Stworzy wasne laboratorium, w ktrym bada waciwoci elektrycznoci. W 1754 r. postawi w ogrodzie piorunochron wysok tyczk z 4 poziomymi ramionami, na ktrych umieci 14 elaznych skrzynek [15]. Z tego wzgldu, niektre rda podaj go jako wynalazc piorunochronu [16]. Niestety piorunochron Divia mia mniej szczcia ni wynalazek Franklina. Ze wzgldu na susz, okoliczni chopi zniszczyli,

wybudowany dwa lata wczeniej budowl przypisujc jej wywoanie posuchy [4]. Po okresie wielkich odkry Franklina i innych uczonych tego okresu, nastpi czas stagnacji. Przez wiele lat nie osignito znaczcych postpw w badaniach piorunw, nie dokonano znaczcych odkry. Stagnacja bya spowodowana brakiem odpowiedniej aparatury pomiarowej do obserwacji i rejestracji wyadowa atmosferycznych. Znaczcy przeom w badaniach nastpi w drugiej poowie XIX wieku. W tym czasie dynamiczny rozwj nauk przyrodniczych, zwaszcza rozwj fizyki, pozwoli na rozwinicie technik obserwacji oraz skonstruowanie nowych narzdzi obserwacji. W szczeglnoci chodzi tu o rozwj - 13 -


spektroskopii

oraz

fotografii.

Badania

widma

czstotliwociowego

wyadowania

atmosferycznego rozpoczy si na pocztku lat siedemdziesitych XIX w. Pionierami obserwacji spektroskopowych byli Herschel (1868), Gibbons (1871), Holden (1872) i Clark (1874). W 1880 roku Schuster dokona pierwszej systematycznej identyfikacji linii widma wyadowania, co byo znaczcym osigniciem na wczesne czasy. W kolejnych latach badania spektroskopowe pozostaway na uboczu bada piorunw. Dopiero w poowie XX w. Dufay, Israel i Fries odkryli, e widmo wyadowania mo e by cennym rdem informacji o warunkach fizycznych panujcych wewntrz i w ssiedztwie kanau wyadowania. [3] Du y postp w badaniu wyadowa atmosferycznych wniosy obserwacje

fotograficzne, przy u yciu stacjonarnych lub ruchomych aparatw fotograficznych. Pierwsze tego typu obserwacje, dokonane przez Hofferta w Anglii oraz Webera w Niemczech pochodz z 1889 roku. W pniejszym czasie tak e Weber (1902-1918) oraz Larsen (1905) zajmowali si wykonywaniem fotografii piorunw [3]. Rejestracje fotograficzne pozwoliy na odkrycia niedostrzegalne nieuzbrojonym okiem obserwatora. Dziki tym badaniom ustalono m.in.: fakt, e wyadowania atmosferyczne czsto skadaj si z wicej ni jednego wyadowania zwrotnego (z ang. return stroke), odkryto rol lidera wyadowania w procesie powstawania wyadowania atmosferycznego (tworzenie kanau wyadowania

atmosferycznego, rys. 3) oraz wyznaczono czasy trwania poszczeglnych etapw wyadowania.

Rys. 3. Symulacja rejestracji fotograficznej wyadowania atmosferycznego. A rejestracja aparatem z przesuwanym filmem, B rejestracja aparatem z filmem stacjonarnym.

Z czasem unowoczeniano aparaty fotograficzne starajc si uzyska jak najwiksz rozdzielczo czasow rejestracji. Pocztkowo ze wzgldu na nisk rozdzielczo czasow, pozwalay one jedynie na rejestrowanie obrazw przedstawiajcych pojedyncze wyadowanie, nawet wtedy, gdy w rzeczywistoci w momencie otwarcia migawki aparatu wystpio kilka uderze zwrotnych. W celu zwikszenia rozdzielczoci czasowej i rejestracji poszczeglnych

- 14 -


etapw wyadowania atmosferycznego, rozpoczto konstruowanie aparatw z ruchomym filmem. Okazao si, e takie rozwizanie byo ograniczone ze wzgldu na szybko dziaania mechanizmu przesuwu filmu. Maksymalne prdkoci przesuwu bony osigane w tego typu aparatach to okoo 100 m/s. Z tego wzgldu zaczto stosowa, du o bardziej po yteczne, aparaty z nieruchom klisz zaopatrzone w r ne rodzaje ruchomych obiektyww lub luster [17]. Aparaty tego typu to przede wszystkim: aparaty wirujce wolnobie ne, do zgrubnego badania struktury pioruna i szybkobie ne, do bardziej szczegowych bada. Pierwsze obserwacje przy u yciu aparatw wolnobie nych to prace Waltera w Hamburgu w pocztkach XX w. Natomiast prekursorem stosowania aparatw szybkobie nych by Boys w Anglii [17]. Tego typu aparaty pozwalay wykonywa zdjcia o rozdzielczoci czasowej rzdu kilku tysicznych mikrosekundy. Ze wzgldu na szerokie korzyci pynce z rejestracji fotograficznych powstao wiele orodkw badawczych zajmujcych si m.in. tego typu badaniami. Do najbardziej znanych nale takie orodki jak: orodek zorganizowany w Szwajcarii przez K. Bergera na grze Monte San Salvatore, w USA na wie owcu Empire State Building w Nowym Jorku, czy te orodek w Afryce Poudniowej, w okolicach

Johanesburga, zorganizowany przez Schonlanda [4]. W Polsce fotograficzne badania pioruna byy prowadzone gwnie pod kierunkiem prof. Stanisawa Szpora, ktry w 1950 roku zorganizowa orodek badawczy w Szklarskiej Porbie [18]. Od momentu rozpoczcia obserwacji fotograficznych a do dzisiaj, fotografie przedstawiajce wyadowania s cennym rdem informacji. Bardzo po yteczne w badaniach piorunw okazay si tak e prace badawcze z wykorzystaniem prcikw magnetycznych, do rejestracji maksymalnej wielkoci napicia w kanale wyadowania i klidonografw, do rejestracji maksymalnej wielkoci nat enia prdu [18]. Pozwalay one na masowe wykorzystanie ze wzgldu na niskie koszty u ycia oraz prostot pomiaru. W przypadku prcikw magnetycznych umieszczano je w pobli u masztw i wysokich budowli nara onych na uderzenie pioruna. Nastpnie w przypadku uderzenia pioruna prcik magnesowa si w polu magnetycznym wytwarzanym przez wyadowanie. Informacje o wartoci szczytowej prdu byy uzyskiwane w wyniku oblicze opartych o dane geometryczne prcika oraz wielkoci magnetyzmu szcztkowego. Po pomiarze prciki byy rozmagnesowywane w silnym polu magnetycznym i gotowe do ponownego u ycia. W latach 1897-1900 niemiecki uczony F. Pockels analizowa zmiany pola magnetycznego indukowanego przez pioruny, eby oszacowa warto prdu przepywajcego przez kana pioruna [3]. Byy to pierwsze pomiary wielkoci prdu w kanale wyadowania atmosferycznego. Badania z wykorzystaniem prcikw magnetycznych byy masowo - 15 -


wykonywane m.in. w: Stanach Zjednoczonych, Niemczech, dawnym ZSRR, a tak e w Polsce. Udoskonalon wersj bada z u yciem prcikw magnetycznych byy badania z wykorzystaniem fulchonografw tj. przyrzdw, w ktrych okoo kilkuset prcikw magnetycznych jest zamocowanych na obwodzie obracajcego si aluminiowego kr ka. Dziki takiemu rozwizaniu ka dy z prcikw jest magnesowany tylko przez chwil. Przyrzd ten pozwala okrela przebieg prdu w wyadowaniach pojedynczych i wielokrotnych [18].

Rys. 4. Schemat ideowy klidonografu. (na podstawie [18])

Klidonograf zosta wynaleziony w 1924 roku przez J. F. Petersa. W przypadku klidonografw (rys. 4) wykorzystywano wyadowania powierzchniowe na pycie izolacyjnej np.: szklanej. Po umieszczeniu klidonografu w pobli u miejsca prawdopodobnego wystpienia pioruna (np.: wysokiego masztu) i uderzeniu pioruna na wiatoczuej warstwie pozostaway lady po wyadowaniu, otrzymywano tzw. zdjcie klidonograficzne. Utrwalenie obrazu wyadowa mo na byo uzyska poprzez posypanie pyty proszkiem, np.: siark. Dziki temu uzyskiwano tzw. figury Lichtenberga. Ze wzgldu na kompletnie r ny wygld zdj (figur Lichtenberga) w przypadku wyadowa dodatnich i ujemnych mo na byo ustali biegunowo zarejestrowanego wyadowania. Stay rozwj klidonografw zaowocowa jego kolejnymi ulepszonymi wersjami. Dziki temu opracowano klidonografy rurkowe i z przesuwan bon fotograficzn oraz kolejne urzdzenia bazujce na technice

klidonograficznej, jak np.: kine-klidonografy, rejestrujce chwilowe wartoci prdw udarowych w kanale wyadowania. [18] Innym rewolucyjnym, na owe czasy, urzdzeniem su cym do bada piorunw by oscylograf elektronowy. Urzdzenie to, ktrego zasada dziaania jest niemal taka sama jak w przypadku wielu wspczesnych urzdze takich jak oscyloskop, czy te - 16 kineskopowy


odbiornik telewizyjny pozwalao na wyznaczenie przebiegw czasowych prdu pioruna, oraz speniao wymogi dotyczce wysokiej rozdzielczoci czasowej wymaganej przy badaniu piorunw. Dziaanie oscylografu elektronowego polega na przepuszczaniu strumienia elektronw midzy dwoma parami pytek odchylania. Jedna para pytek jest podczona do ukadu zasilania i odpowiada za czasowe przesunicie rejestrowanego sygnau. Natomiast druga para jest z jednej strony poczona z nara onym na uderzenie pioruna, uziemionym opornikiem, a z drugiej tylko uziemiona. Dziki temu strumie elektronw przepuszczany przez pary pytek ulega odchyleniom i w efekcie otrzymujemy przebieg czasowy nat enia prdu w kanale wyadowania. Odchylone elektrony docieraj do wiatoczuego ekranu i dziki temu otrzymujemy obraz zarejestrowanego przebieg. Urzdzenie to byo rewolucyjne ze wzgldu na to, e prdko strumienia elektronw jest dostatecznie wysoka do

zarejestrowania caego przebiegu prdowego wyadowania atmosferycznego. Niestety pomiar przy pomocy oscylografu by bardzo niebezpieczny, poniewa opornik podczony do pytek odchylania podczas rejestracji musia znajdowa si w miejscu uderzenia pioruna. Z tego powodu tak e obserwator by nara ony na pora enie piorunem. Trudnoci byo tak e waciwe zlokalizowanie aparatury pomiarowej tak, aby znajdowaa si w polu prawdopodobnego ra enia piorunem. Poza tym urzdzenie to w owych czasach byo do kosztowne. Uwzgldniajc powy sze ograniczenia zakres zastosowania by do wski, a pomiary trudne do realizacji oraz bardzo niebezpieczne. Pierwsze obserwacje przy u yciu oscylografw elektronowych zostay dokonane w 1924 roku m.in. przez: Norindera, Dufuora, J. Stiekolnikowa. Idea oscylografu bya znana wczeniej, jednak e pierwotnie istniay problemy z zarejestrowaniem obserwowanych przebiegw. Dopiero zwikszenie liczby elektronw w wizce i zwikszenie ich prdkoci pozwolio na dokonywanie rejestracji przebiegw prdowych. [4] Wad pomiarw dokonywanych przy pomocy prcikw magnetycznych i

klidonografw bya maa dokadno oraz skomplikowany sposb wyliczania parametrw wyadowania z danych pomiarowych. Pomiary przy u yciu oscylografw elektronowych byy niebezpieczne ze wzgldu na grob pora enia piorunem osoby dokonujcej pomiaru. Z powy szych wzgldw cigle usiowano odkry bezpieczny i wiarygodny sposb bada wyadowa atmosferycznych. Er nowoczesnych bada nad wyadowaniami elektrycznymi w atmosferze zapocztkowa C.T.R Wilson, ktry na pocztku XX wieku pierwszy dokona pomiarw nat enia pola elektrycznego towarzyszcego piorunom, w celu okrelenia rozkadu adunku w chmurze burzowej i podczas uderzenia pioruna [7]. By to moment przeomowy, poniewa - 17 -


pomiary pola elektrycznego pozwalay na poredni, ale bezpieczny i wiarygodny pomiar wielkoci fizycznych towarzyszcych wyadowaniom. Poza tym badania Wilsona skieroway uwag badaczy w kierunku zagadnie zwizanych z generowaniem wyadowa. Wszystkie obecne systemy detekcji i lokalizacji wyadowa atmosferycznych swoj prac opieraj na pomiarze i analizie zmian pola elektromagnetycznego generowanych przez wyadowania atmosferyczne.Tab. 1 Historia odkry majcych fundamentalne znaczenie z punktu widzenia badania

wyadowa atmosferycznych. Lp. 1. 2. 3. Autor(zy) odkrycia Benjamin Franklin Benjamin Franklin J. Herschel, J. Gibbons, E. S. Holden, J. W. Clark L. Weber, Hoffert, Walter B., Larsen A. Odkrycie Elektryczna natura chmur burzowych Elektryczna natura wyadowania atmosferycznego Pierwsze badania spektroskopowe Pierwsze rejestracje fotograficzne wyadowa atmosferycznych Pierwsze oszacowanie wielkoci prdu w kanale wyadowania atmosferycznego przy u yciu rejestracji magnetycznych Pierwsze pomiary wielkoci pola elektrostatycznego w celu oszacowania struktury adunku w chmurach burzowych Pierwsze rejestracje przebiegw prdowych wyadowania atmosferycznego przy u yciu oscylografu elektronowego Rok (lata) 1750 1752 1868

4.

1889

5.

F. Pockels

1897-1900

6.

C.T.R. Wilson

1916

7.

H. Norinder, Dufour, J. Stiekolnikow

1924

8.

G. Simpson, F. J. Screase, G.D. Robinson

Pierwsze pomiary wielkoci pola elektrycznego wewntrz chmury w celu zbadania rozkadu adunku wewntrz chmury burzowej Pierwszy wielopunktowy pomiar zaburze pola elektromagnetycznego spowodowanych przez wyadowania atmosferyczne

1937- 41

9

E. J. Workman, R. E. Holzer, G. T. Pelsor

1942

Badania Wilsona, cho przeomowe nie spowodoway rozkwitu bada nad wyadowaniami atmosferycznymi. Dopiero w drugiej poowie XX wieku nastpio szczeglne zintensyfikowanie studiw nad piorunami. Od poowy ubiegego wieku odnotowano znaczny - 18 -


postp w badaniach piorunw dziki tworzeniu nowych orodkw zajmujcych si tego typu badaniami. Poza opisanymi wczeniej orodkami zajmujcymi si badaniami wyadowa atmosferycznych, gwnie poprzez rejestracje fotograficzne, w drugiej poowie lat siedemdziesitych XX wieku powstao wiele nowych orodkw zajmujcych si tak e badaniami innego rodzaju m.in. tzw. badaniami licznikowymi. Wrd nich nale y wymieni dwa rodzaje: orodki zajmujce si analiz i pomiarami parametrw piorunw trafiajcych w wysokie obiekty oraz orodki prowadzce badania piorunw prowokowanych, wyzwalanych za pomoc rakiet cigncych za sob cienki, uziemiony drut. Do pierwszej grupy nale y zaliczy: wspomniany wczeniej szwajcarski orodek na grze San Salvatore w Lugano [4], niemiecki orodek zlokalizowany na grze Peissenberg [21], austriacki orodek na grze Gaisberg [22], orodki badajce uderzenia piorunw w maszty telewizyjne Ostankino w Moskwie (Rosja), CN Tower w Toronto (Kanada) [23], Empire State Building w Nowym Yorku (USA) i inne [7]. Do drugiej orodki: w Hokuriku (Japonia), w St. Privat dAllier (Francja), orodek w Socorro w Nowym Meksyku (USA) [7] oraz Midzynarodowe Centrum Badania i Testowania Piorunw ICLTR (z ang. International Center for Lightning Research and Testing) w Camp Blanding na Florydzie (USA). W przypadku bada nad wyadowaniami atmosferycznymi uderzajcymi w wysokie obiekty (np.: maszty telewizyjne, wie e) wykorzystuje si obserwacje miejsc bezporednich uderze wyadowa doziemnych, dziki czemu mo na dokonywa bezporednich pomiarw parametrw piorunw. Badania tego typu s prowadzone od koca lat 30-tych XX wieku [7], jednak dopiero unowoczenienie technik obserwacji i rejestracji umo liwio bardziej efektywne badania i powstanie nowoczesnych centrw badawczych. Austriacki orodek zlokalizowano na grze Gaisberg poo onej ok. 5 km od Salzburga. W badaniach, ktre rozpoczy si w 1998 roku, wykorzystuje si maszt telekomunikacyjny o wysokoci okoo 100 m, zlokalizowany na szczycie gry. W 1998 roku rozpoczto rejestracje parametrw elektrycznych wyadowa uderzajcych w maszt. W 1999 zainstalowano dodatkowo specjalne kamery potrafice rejestrowa do 1000 klatek na sekund [24]. Natomiast badania piorunw na grze Peissenberg, w Niemczech rozpoczy si w 1978 roku, w orodku zlokalizowanym ok. 60 km na poudniowy-zachd od Monachium [21]. Badania wyadowa atmosferycznych przy pomocy rakiet zostay zapocztkowane w 1967 roku, w pniejszym czasie badania tego typu prowadzono w wielu orodkach r nych orodkach [3]. W badaniach tego typu w kierunku chmury burzowej zostaje wystrzelona rakieta, do ktrej przymocowano cienki, uziemiony drut. Dziki temu nie ma potrzeby tworzenia kanau wyadowania, a adunek elektryczny spywa do gruntu poprzez drut. Wyniki - 19 -


obserwacji i pomiarw r nego rodzaju, prowadzonych w tego typu orodkach su gwnie do: wyznaczenia typowych parametrw doziemnych wyadowa atmosferycznych [25, 26, 27], do weryfikacji r nych hipotez jak np.: teorii dotyczcych modeli kanau wyadowania doziemnego [23] oraz do porwnywania z danymi otrzymanymi w wyniku innych pomiarw jak np.: dane z systemw detekcji i lokalizacji wyadowa atmosferycznych [28, 29, 30]. Intensyfikacja bada nad wyadowaniami atmosferycznymi zostaa wymuszona przez kilka czynnikw. Do najwa niejszych nale y zaliczy coraz wiksze straty powodowane przez wyadowania atmosferyczne tak materialne jak i ofiary ludzkie. Do strat materialnych nale y zaliczy: czste po ary du ych obszarw lenych i uszkodzenia linii energetycznych oraz potrzeb ochrony przed uszkodzeniami samolotw, statkw kosmicznych i urzdze naziemnych czuych na zmiany pola elektromagnetycznego wywoywane przez wyadowania. W tym czasie straty powodowane przez pioruny w samych Stanach Zjednoczonych szacowano na setki milionw dolarw. Postanowiono temu zapobiec i na pocztku lat siedemdziesitych ubiegego wieku powstay r ne niezale ne zespoy badawcze m.in. w: USA i Francji, zajmujce si zagadnieniami zwizanymi z elektrycznoci atmosfery, a zwaszcza z badaniem wyadowa atmosferycznych [20]. Du e zintensyfikowanie bada piorunw byo mo liwe dziki rozwojowi wielu innych dziedzin nauki. W tym czasie nastpi rozkwit dwch dziedzin nauki: informatyki i elektroniki, ktre odegray niepoledni rol tak e w badaniu piorunw. Naukowcom przyby pot ny sojusznik - komputer. Dziki rozwojowi ukadw mikroprocesorowych stale udoskonalano i rozwijano elektroniczne urzdzenia detekcyjne. Nastpi tak e rozwj systemw telekomunikacyjnych o du ej szybkoci przekazywania danych, niezbdnych do waciwego dziaania sieci detekcji i lokalizacji wyadowa piorunowych. Naukowcy w kocu dostali do rki narzdzia pozwalajce prowadzi badania w szerokim spektrum zagadnie zwizanych z wyadowaniami atmosferycznymi. Wraz z rozwojem bada nad natur wyadowa piorunowych, zaczto budowa sieci detekcji i lokalizacji wyadowa. Z pocztku niedoskonae, obecnie nowoczesne i zaawansowane technicznie, s znakomitym narzdziem umo liwiajcym wielu naukowcom r nych dziedzin nauki czerpa dane do swojej pracy naukowej, a zwykym ludziom dostarczaj informacje niezbdne do ochrony ich ycia i mienia. W wyniku intensywnych bada naukowych powstay m.in.: systemy detekcji i lokalizacji wyadowa atmosferycznych takie jak: IMPACT, SAFIR, ATD i inne (patrz: Rozdzia 5. Systemy detekcji i lokalizacji wyadowa atmosferycznych.).

- 20 -


Powstanie i rozwj systemw detekcji i lokalizacji wyadowa atmosferycznych nie spowodowa oczywicie zatrzymania bada nad wyadowaniami atmosferycznymi. Systemy tego typu s tylko narzdziem wspomagajcym badania oraz rdem informacji o zagro eniach i aktualnej sytuacji burzowej dla spoeczestwa. Celem niniejszej publikacji jest przybli enie czytelnikowi zagadnie zwizanych z obecnym stanem wiedzy o wyadowaniach atmosferycznych oraz dostarczenie informacji o aktualnie u ytkowanych w r nych krajach systemach tego typu. Ze wzgldu na charakter niniejszej publikacji nale y wspomnie o zagadnieniach badania piorunw w przypadku Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej (IMGW). Niestety a do 2001 roku nie zajmowano si w IMGW badaniami naukowymi dotyczcymi wyadowa atmosferycznych, a jedynie dokonywano prowadzone a do dzi obserwacje ilociowe burz. Incydentalnie podejmowano prby m.in. w poowie lat osiemdziesitych ubiegego wieku prbowano zaadoptowa do pracy radzieckie urzdzenie do lokalizacji piorunw pracujce w pamie niskich czstotliwoci LF, jednak e ze wzgldu na problemy ze znalezieniem odpowiedniej lokalizacji wolnej od zanieczyszcze pasma LF oraz wysok wra liwo na zakcenia zewntrzne nie wdro ono urzdzenia do pracy operacyjnej [31]. Obecnie nadal obserwacje piorunw, a waciwie burz, polegaj na rejestracji iloci dni burzowych na stacjach meteorologicznych. Ze wzgldu na r n gsto sieci stacji meteorologicznych obserwacje te byy niejednokrotnie obarczone bdami wynikajcymi ze sposobu obserwacji tj. bazowanie na efektach wietlnym i dwikowych wytwarzanych przez pioruny [2]. Dziki danym pochodzcych z tego typu obserwacji generuje si tzw. mapy izokeuraniczne bdce odzwierciedleniem iloci dni burzowych w roku. Mimo

prymitywnoci pomiaru obserwacje te stanowi cenny materia do bada m.in. klimatycznych oraz materia porwnawczy dla pracujcego od 2002 roku operacyjnie w IMGW systemu detekcji i lokalizacji wyadowa atmosferycznych PERUN. Historia bada naukowych nad wyadowaniami atmosferycznymi liczy sobie ponad 250 lat. Badanie natury pioruna i praw nim rzdzcych, nioso ze sob zawsze du dawk niebezpieczestwa, ale z r nych wzgldw nigdy nie brakowao chtnych do zgbiania wiedzy na ten temat. Koczc t krtk histori bada nad wyadowaniami atmosferycznymi nale y zaznaczy, e mimo tylu lat bada pioruny s nadal nie do koca zbadanym

zjawiskiem, a wiele fundamentalnych pyta cigle pozostaje bez odpowiedzi, jak np.: w jaki sposb dokonuje si elektryzacja chmur burzowych, co inicjuje wyadowania atmosferyczne i wiele innych.

- 21 -


3. Fizyka wyadowa atmosferycznych.Zjawisko wyadowa atmosferycznych jest niezwykle zo onym i skomplikowanym procesem fizycznym, do dnia dzisiejszego nie zdoano wyjani wszystkich praw rzdzcych tym procesem. Pioruny s niczym innym jak bardzo silnym wyadowaniem elektrycznym, ktre wystpuje w atmosferze ziemskiej. W chmurze burzowej, w wyniku skomplikowanych i nie do koca jeszcze poznanych procesw, tworzy si przestrzenny adunek elektryczny oraz nastpuje jego separacja. adunek dodatni gromadzi si w szczytowych partiach chmury, adunek ujemny w dolnych. Niewielkie skupisko adunku dodatniego mo e pojawi si tak e w podstawie chmury. Powstaje wtedy trjbiegunowa struktura elektryczna. Midzy takimi skupiskami adunkw pojawia si silne pole elektryczne. Jeli w wyniku separacji kolejne adunki bd docza do tych skupisk, wtedy warto pola bdzie wzrasta. Gdy warto powstaego pola przekroczy wielko graniczn (progow), wtedy nie przewodzce wczeniej powietrze znajdujce si midzy centrami adunkw dodatnich i ujemnych, na skutek przebicia, stanie si przewodnikiem. W tym momencie w atmosferze wystpi wyadowanie elektryczne zwane wyadowaniem atmosferycznym. W troposferze wyr niamy dwa typy wyadowa atmosferycznych: wyadowania chmura - ziemia i wyadowania chmurowe. Wrd tych typw wyadowa, najwiksze zagro enia dla czowieka niesie wyadowanie atmosferyczne typu chmura - ziemia. Wyadowania tego typu, trwajce przecitnie niespena sekund, mog wywoa r ne i czsto rozlege zniszczenia. Mog to by szkody o r nej skali i r nym rodzaju, poczynajc od zniszczenia pojedynczego obiektu np.: drzewa, a koczc na zniszczeniu rozlegych obszarw lenych. Z innego punktu widzenia straty mog obejmowa zniszczenia obiektw przemysowych, domw mieszkalnych itp., ale mog tak e zawiera przypadki miertelnych pora e ludzi i zwierzt. W USA w latach 1959-1990 statystycznie, co roku 93 osoby traciy ycie w wyniku pora enia piorunem, a ponad 250 odnosio obra enia [32]. Straty materialne szacowane s na setki milionw dolarw rocznie. Wyadowania atmosferyczne s jedn z gwnych meteorologicznych przyczyn mierci zwierzt i ludzi. W USA w klasyfikacji meteorologicznych powodw mierci ludzi (1999 rok), pora enia piorunem zajmuj drugie miejsce (pierwsze miejsce w tej klasyfikacji zajmuj powodzie) [33]. 3.1. Atmosfera ziemska jako globalny obwd elektryczny. Kul ziemsk wraz z otaczajc j atmosfer mo na w przybli eniu, traktowa jako ogromny, kulisty kondensator. Rol naadowanych okadek speniaj tu: powierzchnia Ziemi i - 22 -


jonosfera, przewodzca warstwa atmosfery. Przy czym powierzchnia Ziemi jest naadowana ujemnie, tzn. adunkiem nadmiarowym powierzchni Ziemi jest adunek ujemny, a jonosfery dodatni. Rol izolatora spenia, sabo przewodzce powietrze wypeniajce obszar pomidzy jonosfer i powierzchni Ziemi. Powietrze jest dobrym izolatorem, ktry zaczyna przewodzi prd tylko w specyficznych warunkach. W obszarach tzw. piknej pogody (bezchmurne niebo i bezwietrzna pogoda) r nice potencjaw midzy tymi powierzchniami wahaj si od ok. 150 do ok. 600 kV [34], rednio osigajc warto ok. 300 kV [3]. Oznacza to, e aby utrzyma napicie tej wielkoci pomidzy powierzchni Ziemi i atmosfer, na powierzchni musi znajdowa adunek ujemny rzdu ok. 106 C, natomiast taka sama ilo adunku o przeciwnym znaku musi znajdowa si w atmosferze [7]. W przestrzeni midzy takimi dwoma naadowanymi przeciwnie okadkami istnieje stae, niezerowe pole elektryczne. Warto tego pola jest r na w zale noci od aktualnego stanu warunkw atmosferycznych, czasu oraz miejsca obserwacji. W bezchmurny i bezwietrzny dzie nad paskim pustynnym terenem lub morzem gradient potencjau elektrycznego w miar wznoszenia si ponad powierzchni ronie o okoo 100 V/m [35]. Warto pola elektrycznego przy powierzchni Ziemi w czasie adnej pogody wynosi od 100 do 300 V/m [34]. rednia warto wynosi ok. 120 V/m [5], natomiast dla obszaru Polski wynosi ok. 160 V/m [37]. Przy czym minus wyznacza orientacj wektora nat enia pola, ktry jest skierowany pionowo do dou. Zgodnie z prawami elektrostatyki, poniewa Ziemia jest przewodnikiem to z powodu istnienia tego niezerowego pola wynika, e na powierzchni Ziemi musi istnie adunek, ktrego gsto powierzchniow szacuje si na 1,1 nC/m2 [5]. Gdyby mierzy warto nat enia pola na coraz wy szych wysokociach okazaoby si, e jego warto maleje bardzo szybko, a wic w powietrzu te istnieje adunek przestrzenny. Oznacza to, e na pewnej, du ej wysokoci cakowity, przestrzenny adunek dodatni, zawarty pomidzy powierzchni Ziemi a tym poziomem, kompensuje adunek na powierzchni Ziemi. Na rys. 5 przedstawiono schematycznie czynniki skadajce si na globalny ziemski obwd elektryczny. W sabo przewodzcych, dolnych warstwach atmosfery ziemskiej wystpuj r noimiennie naadowane molekuy gazu tzn. jony dodatnie i elektrony, speniajce rol gwnych nonikw prdu przewodzenia. Powstaj one w wyniku oddziaywania promieniowania kosmicznego, promieniowania promieniotwrczego paszcza Ziemi oraz gazw promieniotwrczych takich jak np.: radon. Obecno niezerowego pola elektrycznego w atmosferze ziemskiej oraz istnienie w jej dolnych warstwach swobodnych nonikw prdu, powoduje przepyw prdu przewodzenia dostarczajcego do powierzchni Ziemi w obszarach piknej pogody adunek dodatni. Gsto tego prdu osiga warto rzdu kilku ok. 2-3 - 23 -


pA/m2 [34]. Gdyby ten prd by jedynym sposobem transportu adunku elektrycznego do powierzchni Ziemi, to jego dopyw szybko zneutralizowaby istniejcy na niej nadmiarowy adunek ujemny. Tak si jednak nie dzieje. Przypuszcza si, e powodem tego jest

rwnoczesne istnienie, w atmosferze nad pozostaymi obszarami kuli ziemskiej, licznych burz i towarzyszcych im wyadowa elektrycznych. Szacuje si, e rednio w ka dej sekundzie w atmosferze ziemskiej wystpuje od 1500 do 2000 burz wraz z towarzyszcymi im wyadowaniami atmosferycznymi, a w powierzchni Ziemi uderza okoo 100 piorunw [34]. Burze i wyadowania atmosferyczne s czym w rodzaju akumulatora stale adujcego ziemski kondensator rozadowywany przez prd piknej pogody. Wyadowania atmosferyczne nie s jedynym medium przenoszenia adunku, niepoledni rol odgrywaj tu: opad atmosferyczny i wyadowania koronowe zwane inaczej ogniami w. Elma. S to wyadowania w postaci snopicych wizek na kocach ostrych krawdzi wystajcych przedmiotw takich jak np.: wysokie drzewa, wierzchoki masztw. Powstaj przy bardzo du ych wartociach napicia pola elektrycznego w atmosferze rzdu 100 kV/m [6].

Rys. 5. Globalny obwd elektryczny Ziemi.

- 24 -


Na podstawie bada ocenia si, e okoo 90 % wszystkich wyadowa elektrycznych doziemnych to wyadowania ujemne, czyli takie, ktre przenosz do ziemi adunek ujemny [37]. W wyniku tego powierzchnia Ziemi jest stale naadowana ujemnie. Rodzi si pytanie skoro burze potrafi adowa ziemski kondensator to, dlaczego nie zastosowa ich w codziennym yciu jako rdo niewyczerpalnej energii? Wyadowania nios ze sob ogromn energi. Przy zao eniu, e ka de wyadowanie wyzwala energi okoo 109-1010 J oraz, e w powierzchni Ziemi uderza rednio 100 wyadowa na sekund otrzymujemy do dyspozycji energi rzdu 1012 W (J = W * s). Dla porwnania zu ycie energii w USA pod koniec lat 80-tych ubiegego wieku ksztatowao si na poziomie 0,50,61012 W. Niestety byoby to rozwizanie zupenie niepraktyczne z dwch powodw. Po pierwsze wikszo cakowitej energii wyadowania atmosferycznego jest wyzwalana w postaci grzmotu, ogrzewania powietrza w kanale wyadowania i w jego ssiedztwie oraz emisji fal elektromagnetycznych w szerokim zakresie czstotliwoci. Jak dotychczas nie wymylono technik odzyskiwania energii z tego typu rde. Pozostaa energia, ktr mo na by byo wykorzysta pozwoliaby tylko na prac przez kilka miesicy pojedynczej 100 W arwki. Po drugie ze wzgldu na fakt, e pioruny uderzaj w r ne miejsca w r nym czasie, pozyskiwanie energii z wyadowa atmosferycznych wymagaoby zbudowania bardzo wielu wysokich masztw w r nych miejscach. Uwzgldniajc powy sze inwestycja w uzyskiwanie energii z piorunw jest jak na razie zupenie nieopacalna. [3] 3.2. Proces powstawania chmur generujcych wyadowania atmosferyczne. Wyadowania elektryczne w atmosferze towarzysz najczciej chmurom typu Cumulonibmus. Nazwa chmur Cumulonimbus pochodzi z jzyka aciskiego i oznacza deszczowe chmury kbiaste. W rozbiciu na skadniki: cumulus kupa, stos, nimbus gsta chmura, deszcz. Chmury tego typu s to pot ne chmury konwekcyjne o du ej rozcigoci pionowej, posiadajce charakterystyczny ksztat gry lub wie y. Jeli jej wierzchoek jest zaokrglony to mamy do czynienia z gatunkiem calvus. Jeli jest wknisty lub pr kowany to wtedy wierzchoek jest w ksztacie kowada lub piropusza gatunek capillatus [38]. Podstawa chmury typu Cumulonimbus znajduje si zazwyczaj w niskim pitrze chmur (do 2 km od powierzchni ziemi, dane dla strefy umiarkowanej). Jednak ich pionowa rozcigo jest tak du a, e wierzchoki sigaj redniego (4-7 km) lub wysokiego pitra chmur (5-13 km) [39]. Rozmiary chmur Cumulonimbus s tak du e, e mog by obserwowane tylko ze znacznej odlegoci. Poni ej podstawy chmur tego typu bardzo czsto wystpuj niskie, postrzpione chmury oddzielone lub poczone z podstaw oraz opady. Charakterystyczne - 25 -


kowado (incus) tworzy si w przypadku, gry rozwj pionowy chmury zostanie zahamowany przez warstw o zwikszonej stabilnoci lub inwersje [40]. Na rys. 6 przedstawiono chmur typu Cumulonimbus.

Rys. 6. Chmura typu Cumulonimbus [41].

Chmury typu Cumulonimbus skadaj si gwnie z wody w r nych stanach skupienia (fazach): fazie ciekej (woda) i fazie staej. Faza staa to: patki niegu, krupy nie ne, ziarna lodowe, grad. Krupy nie ne s to biae, nie przewiecajce ziarna lodu, kuliste o rednicy 2-5 mm, kruche, atwo ulegajce odksztaceniom. Gdy padaj na twarde podo e odbijaj si i rozpryskuj. Faz ciek s krople wody, ktrych cz o najmniejszych rozmiarach jest w stanie przechodzonym. Chmury burzowe zazwyczaj powstaj w wyniku dziaania konwekcji termicznej lub turbulencji mechanicznej, podo em. wywoanej Konwekcja przepywem jest wilgotnej z masy powietrza nad

pofadowanym

jednym

najwa niejszych

sposobw

przekazywania ciepa w atmosferze. W procesie tym, na skutek r nicy cinie powstajcej w wyniku nagrzewania si powietrza, masa przenoszca ciepo sama porusza si w kierunku obszarw mniejszych cinie. W atmosferze cinienie maleje wraz z wysokoci, dlatego ciepe powietrze porusza si do gry, a w d opada zastpujce je zimne powietrze. W ten sposb powstaj prdy konwekcyjne. Wraz z ciepym powietrzem unoszone s do gry: - 26 -


ciepo odczuwalne (ciepo, ktre odczuwamy naszymi zmysami) oraz ciepo utajone (ciepo, ktre dodajemy do substancji, aby zmieni jej stan skupienia, bez zmiany temperatury). Ciepo utajone jest transportowane w unoszcym si ciepym powietrzu wraz z zawart w nim par wodn. W wyniku konwekcji ciepe, nagrzane przy powierzchni Ziemi powietrze jest unoszone w kierunku warstw atmosfery o ni szych temperaturach ni te przy powierzchni Ziemi. Unoszone powietrze zawiera par wodn: nasycon lub nienasycon. Gdy unoszone powietrze zawiera par wodn nienasycon, wtedy czstki nienasycone w obszarach niskiego cinienia mog si rozpr a adiabatycznie (bez wymiany ciepa z otoczeniem). Podczas takiego unoszenia, szybko ochadzania czstki okrela tzw. sucho - adiabatyczny gradient temperatury. Pojcie sucho-adiabatycznego gradientu temperatury wprowadza si, dlatego e adiabatyczne zmiany temperatury w powietrzu nienasyconym s z bardzo dobrym przybli eniem rwne zmianom, jakie w tym przypadku zaszyby w powietrzu suchym. Je eli czstka pozostaje nienasycona to ochadzanie si w wyniku adiabatycznego rozpr ania odbywa si z prdkoci 10 C * km-1 (wysokoci przebytej przez czstk) [39]. Je eli czstka w wyniku ochodzenia osignie stan nasycenia i dalej wznosi si, a tak e rozpr a, wtedy stosuje si inn charakterystyk spadku temperatury w zale noci od wysokoci. Kiedy powietrze zawierajce par wodn nasycon, adiabatycznie si ochadza, wtedy w wyniku kondensacji pewnej iloci pary wodnej zaczyna powstawa chmura. Wydzielajce si podczas kondensacji ciepo utajone czciowo przeciwdziaa adiabatycznemu ochadzaniu wskutek rozpr ania. W takim przypadku szybko obni ania si temperatury w miar wznoszenia si czstki jest mniejsza od gradientu sucho-adiabatycznego. Wtedy powietrze nasycone ochadza si wedug gradientu wilgotno-adiabatycznego. Warto tego gradientu zale y od dwch zmiennych: cinienia i temperatury. Zale no od temperatury jest spowodowana tym, e cieplejsze (o wy szej temperaturze) powietrze mo e zawiera wicej pary wodnej. Je eli powietrze zawiera wicej pary wodnej, to wiksza ilo pary wodnej mo e ulec kondensacji. Mo e wtedy wydzieli si rwnie powolniejsze ochadzanie. Poziom, od ktrego ochadzanie si czstki nasyconej powoduje kondensacj nazywamy poziomem kondensacji. Powy ej tego poziomu w wyniku kondensacji pary wodnej zawartej w powietrzu powstaj chmury. Rozr niamy cztery rodzaje ruchw pionowych, prowadzcych do tworzenia si chmur: a) turbulencj mechaniczn (turbulencj tarcia) b) konwekcj (turbulencj termiczn) - 27 wiksza ilo ciepa utajonego, ktre spowoduje


c) orograficzne ruchy wstpujce (wymuszone wznoszenie si masy powietrza na stokach gr) d) powolne wielkoskalowe ruchy wznoszce W przypadku chmur burzowych szczeglne znaczenie maj: turbulencja tarcia i konwekcja termiczna. Chmurom utworzonym w ten sposb towarzysz zazwyczaj wyadowania atmosferyczne. Turbulencja to chaotycznie poruszajce si wiry i strumienie powietrza o r nych ksztatach i kierunkach poruszania si. Turbulencja powstaje w wyniku istniejcych r nic w prdkociach wiatru, w ssiadujcych ze sob warstwach powietrza. Turbulencja termiczna powstaje w wyniku prdw konwekcyjnych wzbudzanych przez ogrzewanie si mas powietrza majcych kontakt z nagrzan powierzchni Ziemi. Turbulencja mechaniczna powstaje w skutek zaburzania kierunku i siy wiatru przy przepywie masy powietrza nad nierwnociami powierzchni Ziemi. Turbulencja ma wa ne znaczenie w przypadku chmur burzowych. Zaobserwowano, e maksimum liczby wyadowa elektrycznych jest zwizane z ruchami wznoszcymi wewntrz chmury, ktre wynosz czstki krupy nie nej lub gradu ponad gwny obszar adunku ujemnego. W czasie swojego istnienia chmura burzowa mo e wytwarza r ne rodzaje wyadowa elektrycznych w atmosferze. Rys. 7 przedstawia poszczeglne fazy rozwoju chmury burzowej wraz z opisem intensywnoci, w poszczeglnych etapach rozwoju, r nych zjawisk towarzyszcych, jak np.: wyadowania wewntrzchmurowe, turbulencja,

wyadowania chmura - ziemia i inne. Pierwszym etapem tego cyklu jest powstanie chmury burzowej i jej elektryzacja. W tej fazie w wyniku dziaania konwekcji powstaje rozbudowana chmura burzowa najczciej typu Cumulonimbus. Nastpnie w wyniku procesw elektryzacji oraz separacji adunku w chmurze tworzy si trjbiegunowa struktura z centrum adunku ujemnego w dolnej czci chmury, dodatniego w szczytowej jej czci oraz mniejszym skupiskiem adunku dodatniego poni ej gwnego adunku ujemnego. W tak uksztatowanej strukturze, po okoo 10 minutach, zaczynaj si pojawia pierwsze wyadowania wewntrzchmurowe, rozpoczyna si etap nazwany pocztkiem burzy. W tym czasie notuje si wysok intensywno turbulencji we wntrzu samej chmury oraz stopniowo rosnc wewntrzn aktywno elektryczn. Potem nastpuje faza - rozwj burzy. W tym stadium obserwuje si ju intensywne turbulencje i wysok elektryczn aktywno wewntrzn. Kolejnym etapem jest etap dojrzaoci. W tej fazie chmura burzowa osiga maksymaln rozcigo pionow. Nastpuje kulminacja wewntrznej aktywnoci elektrycznej, zaczynaj si te pojawia pierwsze wyadowania typu chmura - ziemia. Po tej fazie nastpuje etap - 28 -


zapocztkowujcy rozpad chmury burzowej. W tym momencie zazwyczaj nastpuj obfite opady deszczu, gradu lub niegu. Obserwujemy te silne prdy zstpujce oraz wyadowania doziemne. Potem nastpuje rozproszenie chmury burzowej, ktremu towarzysz rzadkie wyadowania wewntrzchmurowe.

Rys. 7. Fazy rozwoju chmury burzowej. (na podstawie [42])

- 29 -


Chmura Cumulonimbus czsto staj si macierzyst chmur dla innych typw chmur. Gdy przechodzi przez warstwy inwersyjne nastpuje, podobnie jak w przypadku chmury Cumuls, jej rozlewanie na boki i tworzenie awic chmur warstwowo-kbiastych typu Altocumulus lub Stratocumulus. Nawet po rozpadzie resztki chmury, zwaszcza kowada, pozostaj chmury typu Cirrus oraz inne chmury warstwowe i warstwowo-kbiaste. Oczywicie musi by wtedy speniony warunek, e pozostaoci po chmurze nie wymieszay si cakowicie z otoczeniem. Ze wzgldu na sposb powstawania burze mo emy podzieli na [43]: Wewntrzmasowe (nazywane te termicznymi lub cieplnymi), powstajce zazwyczaj w lecie, w godzinach popoudniowych. Frontowe, najczciej towarzyszce frontom chodnym, w okresie letnim, ale rwnie frontom ciepym. Wystpuj w cigu caej doby. Burze frontowe wystpuj w warunkach chwiejnej rwnowagi termodynamicznej du ych mas powietrza. Burze na froncie chodnym powstaj, gdy napywajce doem masy powietrza wypieraj w gr ciepe i wilgotne powietrze o chwiejnej rwnowadze. Jeli podo e ma dostatecznie wysok temperatur to za frontem w chodnej masie powietrza mog powstawa burze wewntrzmasowe. Wyadowania atmosferyczne towarzysz nie tylko chmurom burzowym typu Cumulonimbus, wystpuj tak e w czasie innych zjawisk. Do takich zjawisk nale y zaliczy wybuchy wulkanw np.: przy wybuchu wulkanu Karakatau w 1883 roku zaobserwowano liczne byskawice, tak e obserwacje chmur utworzonych z popiow wulkanicznych w czasie erupcji wulkanu Surtsey niedaleko Islandii w grudniu 1963 potwierdziy wystpowanie tego typu wyadowa. Wyadowania te maj dugo rzdu setek metrw. Krtsze okoo jednometrowe wyadowania byy obserwowane podczas burz piaskowych. W przypadku wielkich po arw lasw wystpuj wyadowania w ogromnych chmurach dymu powstaych w wyniku spalania ogromnych obszarw lenych. Wyadowania mog towarzyszy tak e naziemnym wybuchom adunkw jdrowych np.: bomb wodorowych czy te zjawiskom meteorologicznym jak np.: tornado. Wyadowania atmosferyczne wystpuj tak e na innych planetach Ukadu Sonecznego. W 1979 roku sonda Voyager 2 podczas lotu badawczego na Jowisza wykonaa okoo 20 zdj wietlistych impulsw w pobli u powierzchni planety. Jednoczenie zarejestrowaa 167 impulsw w zakresie sygnaw radiowych bardzo niskiej czstotliwoci generowanych typowo na Ziemi przez wyadowania atmosferyczne. Dowodzi to istnienia piorunw tak e na innych ni Ziemia planetach. Oczywicie wszystkie

wymienione powy ej rodzaje piorunw wystpuj bardzo rzadko w porwnaniu do - 30 -


zwyczajnych wyadowa towarzyszcym chmurom Cumulonimbus. Tak e ich badanie jest utrudnione, ze wzgldu na niezbyt czste wystpowanie. [3] 3.3. Procesy elektryzacji chmury burzowej. Mechanizm powstawania przestrzennego adunku elektrycznego w chmurach burzowych jest procesem niezwykle skomplikowanym i zo onym. Od wczesnych lat 30-tych ubiegego wieku zaczy powstawa r ne hipotezy dotyczce struktury adunku w chmurach burzowych. Jak dotychczas nie zdoano w peni potwierdzi dowiadczalnie adnej z

istniejcych hipotez, opisujcych powstawanie przestrzennego adunku elektrycznego w chmurach oraz jego separacj. Na potrzeby niniejszej publikacji poni ej zostan opisane zao enia, ktre musi uwzgldnia hipoteza elektryzacji chmur oraz podstawowe zao enia dwch najpopularniejszych obecnie hipotez. Pierwsze modele rozkadu adunku elektrycznego w chmurze burzowej zaczy powstawa po otrzymaniu pierwszych wynikw naziemnych pomiarw pola elektrycznego na pocztku lat 30-tych XX wieku. W oparciu o te wyniki powsta model przybli ajcy chmur burzow jako dodatni dipol elektryczny, czyli ukad, w ktrym w grnej czci chmury zgromadzony jest adunek dodatni, a w dolnej ujemny. Hipoteza ta zostaa potwierdzona pod koniec lat 30-tych ubiegego wieku przez G. Simpsona i J. Screasa dziki pomiarom pola elektrycznego wewntrz chmur burzowych z wykorzystaniem balonw. Dziki tym pomiarom ustalono, e w dolnej, naadowanej ujemnie czci chmury znajduje si tak e mae, lokalne centrum adunku dodatniego. Kolejne pomiary pola elektrycznego chmur burzowych, naziemne i wewntrz chmur, potwierdziy ulepszon koncepcj struktury adunku w postaci podwjnego dipolu elektrycznego. Kolejnym krokiem do poznania procesw generujcych wyadowania atmosferyczne jest zbadanie procesw powstawania adunku w chmurach burzowych. Jest to zadania trudniejsze i nadal nie do koca wykonane. Niewtpliwie ka dy model generacji adunku musi uwzgldnia kilka zjawisk, m.in.: silne prdy wznoszce, wystpujce w czasie powstawania chmur burzowych (unoszce tak e naadowane czstki), a w pniejszym czasie tak e prdy zstpujce rozkad temperatur w poszczeglnych partiach chmury burzowej r norodno hydrometeorw znajdujcych si wewntrz chmury burzowej, m.in.: krople wody, krysztay lodu, krople wody przechodzonej, krupy nie ne procesy jonizacji powietrza przez promieniowanie kosmiczne, substancje

promieniotwrcze itp. opad atmosferyczny, znoszcy do ziemi tak e du ilo adunku - 31 -


Ze wzgldu na zo ono procesu i brak dowiadczalnego potwierdzenia poszczeglnych hipotez w przypadku burz w r nych miejscach i o r nej porze roku, do dzi nie zostaa przyjta i zatwierdzona adna z hipotez. Aktualnie za najbardziej prawdopodobne uwa a si dwie hipotezy: hipotez opadow (z ang. precipitation hypothesis) i hipotez konwekcyjn (z ang. cenvection hypothesis). Rys. 8 przedstawia dwa modele elektryzacji i separacji adunku elektrycznego w chmurze oraz ilustruje istniejce midzy nimi r nice.

Rys. 8. Modele ilustrujce dwa mechanizmy elektryzacji chmur burzowych. [44]

Hipotez opadow (rys. 8 a) pierwszy zaproponowa w 1885 roku niemiecki fizyk Hans F. Geitel. Teoria ta bazuje na zjawisku, ktre mo na zaobserwowa przygldajc si zraszaczowi ogrodowemu. Wiksze krople wody szybciej odczaj si od strumienia wody i opadaj, natomiast mniejsze s unoszone przez wiatr. Tak samo dzieje si w przypadku chmury burzowej. Dziki siom konwekcyjnym, wewntrz chmury burzowej istnieje bardzo silny prd wznoszcy. Dziki temu unoszone jest ciepe i wilgotne powietrze zawierajce nasycon par wodn. Cz tej pary wodnej podczas wznoszenia mo e skondensowa (bez kondensacji pary nie powstaaby chmura). W trakcie dalszego unoszenia do obszarw o ni szej temperaturze cz tej skondensowanej pary wodnej, czyli wody w fazie ciekej, mo e zmieni swj stan skupienia na stay. Badania wykazay, e du a cz skondensowanej pary wodnej pozostaje w fazie ciekej, jako tzw. woda przechodzona, mimo temperatur sigajcych -20 C. Przechodzona woda stykajc si z jakim zanieczyszczeniem powietrza natychmiast zamarza. W ten sposb w unoszonym strumieniu powietrza mo emy znale - 32 -


r ne rodzaje hydrometeorw, takich jak: krople wody, krysztay lodu, krople wody przechodzonej, krupy nie ne. Podczas wznoszenia czstki te mog zwiksza swoj mas poprzez przyczanie innych, mniejszych. Zwikszanie masy czstek powoduje, e sia

grawitacji dziaajca na nie stanie si wiksza od wznoszcych je si konwekcyjnych. Wtedy zaczyna ona opada, a podczas opadania nastpuj zderzenia opadajcych czstek i wznoszcych si malutkich kropelek wody oraz bardzo maych odamkw lodu. Przypuszcza si, e podczas tych zderze nastpuje elektryzacja zderzeniowa tych czstek. W ten sposb adunek ujemny jest przekazywany do opadajcych hydrometeorw, a dodatni przekazywany wznoszcej si mgiece skadajcej si z drobniutkich kropelek wody i krysztakw lodu. W wyniku dziaania siy grawitacji i prdw zstpujcych nastpuje separacja tych adunkw elektrycznych. Dodatni adunek gromadzi si w szczytowych partiach chmury, a ujemny w dolnych. Powstaje struktura nazywana dodatnim dipolem. Gwnym zao eniem tej teorii jest fakt elektryzacji czsteczek w czasie zderze. Elektryzacja mo e nastpowa tak e na drodze indukcji. Kiedy zderzaj si dwie nie naadowane, ale spolaryzowane czstki, tzn. czstki z adunkiem jednego znaku na grze i przeciwnego znaku na dole, wtedy opadajce, ci kie czstki w wyniku zderzenia przekazuj adunek zgromadzony na ich dole lekkiej czstce, unoszonej do gry prdami wstpujcymi. Proces indukcji zderzeniowej wymaga istnienia pola, ktre go inicjuje. Poszczeglne hydrometeory mog absorbowa adunek tak e w procesach: mieszania i zamarzania, przechwytywania i uwalniania wolnych jonw lub naadowanych czstek aerozoli. [45] Hipotez konwekcyjn (rys. 8 b) sformuowali, niezale nie od siebie, w 1947 roku Gaston Grenet w Pary u oraz w 1953 roku Bernard Vonnegut w USA. Jest ona bardziej skomplikowana. Analogi do tego procesu jest znana zasada dziaania generatora Van der Graaffa. W przypadku tej hipotezy zakada si, e adunki elektryczne s pocztkowo dostarczane do chmury przez dwa zewntrzne rda. Pierwszym rdem s adunki pochodzce z jonizacji czsteczek powietrza, znajdujcego si ponad chmur, przez promieniowanie kosmiczne. Drugim rdem s adunki elektryczne pochodzce z wyadowa koronowych. Wyadowania koronowe powstaj w pobli u spiczastych obiektw na powierzchni Ziemi, dookoa ktrych istnieje silne pole elektryczne. Powstajce dodatnie jony s unoszone razem z ciepym powietrzem dziki prdom konwekcyjnym. Kiedy grne obszary chmury zostan w dostatecznym stopniu zasilone adunkiem dodatnim, wtedy zgromadzony adunek dodatni zaczyna przyciga adunek ujemny powstay ponad chmur dziki promieniowaniu kosmicznemu. Wcigane do wntrza chmury jony ujemne byskawicznie przyczaj si do kropelek wody i krysztakw lodu i tworz tzw. warstw - 33 -


ekranujc (z ang. screening layer). Wedug tej hipotezy, prdy zstpujce na obrze ach chmury przenosz ujemnie naadowane czstki warstwy ekranujcej na d, w kierunku podstawy chmury. W ten sposb rwnie powstanie struktura dodatniego dipolu z adunkiem dodatnim w szczytowych partiach chmury i ujemnym w jej dolnych obszarach. [45] Ciekawym problem badawczym jest tak e mae, lokalne centrum adunku dodatniego w podstawie chmury burzowej. Jego obecno mo e by spowodowana z trzech r nych przyczyn. Po pierwsze w wyniku procesu podobnego do tego, ktry powoduje separacj adunku na dodatni w grnych rejonach chmury i ujemny w jej podstawie, czyli np.: opadajce czsteczki lodu lub przechodzone krople wody o temperaturze midzy 0 i -20 C. Po drugie mo e powsta w wyniku dziaania dodatnich prdw koronowych i unoszenia adunku dodatniego wraz z prdami wstpujcymi. Po trzecie mo e zosta przeniesiony w obrbie chmury wskutek wyadowa wewntrzchmurowych. Jednak e dotychczas aden z tych czynnikw nie zosta cakowicie wykluczony lub potwierdzony. Przypuszcza si tak e, e to mae centrum adunku dodatniego spenia znaczc rol w procesie inicjowania wyadowa doziemnych. [7] Bardziej szczegowy opis hipotez opisujcych proces elektryzacji chmur burzowych mo na znale m.in. w [46, 47, 48, 49, 50, 51] 3.4. Rodzaje wyadowa atmosferycznych. Ze wzgldu na r norodno typw wyadowa wystpujcych w atmosferze ziemskiej utrudniona jest tak e ich klasyfikacja. Ze wzgldu na charakter niniejszej publikacji zostan tu omwione w miar szczegowo wyadowania, ktre s istotne z punktu widzenia dziaalnoci IMGW. Pozostae, wybrane rodzaje wyadowa zostan omwione pobie nie. W atmosferze ziemskiej, czy to w przypadku chmur burzowych czy innych zjawisk zwizanych z wystpowaniem wyadowa takich, jak np.: wybuchy adunkw jdrowych, erupcje wulkanw itp., wystpuj na og wyadowania elektryczne r nego typu. Typw wyadowa jest kilka, m.in. wyadowania: liniowe perekowe, kuliste, ognie w. Elma i inne. Na rys. 9 przedstawiono schematyczny podzia wyadowa atmosferycznych na poszczeglne, najczciej wystpujce typy. Najlepiej zbadanymi i wystpujcymi najczciej s tzw.: wyadowania liniowe zwizane z wystpowaniem chmur typu Cumolonimbus. Wyadowania liniowe to pioruny w postaci rozgazionej iskry o dugoci od kilku do kilkudziesiciu kilometrw. Niniejsza publikacja (poza podrozdziaem: 2.8. Inne typy wyadowa) jest powicona wycznie wyadowaniom liniowym oraz aspektom zwizanym z ich wykrywaniem i lokalizacj. - 34 -


Rys. 9. Schematyczny podzia wyadowa atmosferycznych.

Mo na wyr ni dwa zasadnicze podziay liniowych wyadowa atmosferycznych. Pierwszy - ze wzgldu na to, midzy jakimi rodzajami orodkw nastpuje wyadowanie oraz drugi - ze wzgldu na to, jaki rodzaj adunku elektrycznego (dodatni lub ujemny) jest przenoszony przez wyadowanie piorunowe. Wedug pierwszego podziau wyadowania liniowe dziel si na: wyadowania chmura -ziemia, (z ang. cloud-to-ground discharges), wyadowania chmurowe, obejmujce: wyadowania wewntrzchmurowe (z ang. intracloud discharges); wyadowania chmura - chmura (z ang. cloud-to-cloud discharges) oraz wyadowania chmura - powietrze (z ang. cloud-to-air discharges) Na rys. 10 zobrazowano schematycznie cztery rodzaje tych wyadowa.

- 35 -


Rys. 10. Typy wyadowa elektrycznych w atmosferze, wyr nione ze wzgldu na rodzaj orodkw adunkw elektrycznych, midzy ktrymi dochodzi do wyadowania.

Drugim podziaem jest podzia na wyadowania dodatnie (z ang. positive) i ujemne (z ang. negative). Wyadowanie dodatnie jest to takie wyadowanie atmosferyczne, w ktrym z chmury do ziemi przenoszony jest adunek dodatni. W wyadowaniu ujemnym przenoszony jest natomiast adunek ujemny. Oba rodzaje wyadowa mog by inicjowane tak z chmury jak i z ziemi. Szacuje si, e okoo 90 % wszystkich wyadowa doziemnych to wyadowania ujemne [37], jednak zdecydowanie bardziej niebezpieczne s doziemne wyadowania dodatnie. Dzieje si tak, dlatego e w przypadku wyadowa ujemnych wraz z pierwszym uderzeniem zwrotnym pynie prd szczytowy rzdu ok. 30 kA, podczas gdy w przypadku wyadowa dodatnich prd ten ma wartoci nawet od ok. 200 do ok. 300 kA [52]. Wyadowania dodatnie powoduj przeniesienie do ziemi du o wikszego adunku elektrycznego ni wyadowania ujemne. Szacuje si, e wyadowania ujemne przenosz do ziemi adunek rzdu - 8 C, a wyadowania dodatnie rzdu 80 C [52]. Wyadowania dodatnie wystpuj czsto podczas burz w zimie i zazwyczaj skadaj si one tylko z jednego wyadowania zwrotnego. Przewa nie wyadowania dodatnie s inicjowane z grnych - 36 -


obszarw chmur burzowych, gdzie istnieje gwny orodek adunkw dodatnich. Wyadowania tego rodzaju nios wiksze zagro enie dla czowieka i obiektw naziemnych, prawdopodobnie du y odsetek po arw lasw i uszkodze linii energetycznych powstaje w wyniku uderze piorunw dodatnich. Dlatego te bardzo wa ne jest uzyskiwanie, z systemw detekcji i lokalizacji wyadowa atmosferycznych, danych umo liwiajcych rozr nianie biegunowoci wyadowania doziemnego. Ma to wielkie znaczenie zwaszcza w

ultrakrtkoterminowym prognozowaniu zagro enia. 3.5. Wyadowania chmurowe. Wyadowania chmurowe to generalnie wszystkie wyadowania liniowe, ktre nie s wyadowaniami typu chmura ziemia. W grupie wyadowa chmurowych zawieraj si trzy typy wyadowa atmosferycznych. Zaliczamy do nich wyadowania wewntrzchmurowe, wyadowania chmura-chmura oraz wyadowania typu chmura-powietrze. Wyadowania wewntrzchmurowe to wszystkie wyadowania, ktre wystpuj miedzy centrami adunkw w obrbie jednej chmury burzowej. Transportuj one adunek w obrbie tej chmury i mog tak e inicjowa wyadowania doziemne. Wyadowania chmura chmura wystpuj pomidzy centrami adunkw w dwch r nych chmurach. Dziki nim adunek elektryczny mo e by przekazywany z jednej chmury do drugiej. Natomiast najrzadziej wystpujce wyadowania chmura - powietrze zachodz pomidzy obszarem adunkw w chmurze burzowej i pakietem adunkw o przeciwnym znaku znajdujcym si w otaczajcym chmur powietrzu. Na podstawie rejestracji zmian pola elektrycznego, stwierdzono znaczce podobiestwa pomidzy tymi typami wyadowa. Jak dotychczas systemy ledzce aktywno piorunow pozwalay tylko na lokalizacje wyadowa atmosferycznych na paszczynie, tak jak system detekcji i lokalizacji wyadowa atmosferycznych PERUN eksploatowany w IMGW (SAFIR 2D) [53]. Jednak nie opracowano jak dotd sprawdzonych technik detekcji pozwalajcej, dziki danym tylko z tych systemw, bezporednio rozr nia typy wyadowa chmurowych. Mo na je rozr ni tylko poprzez jednoczesn analiz przestrzennych lokalizacji rde tych wyadowa i obserwacji radarowych chmury burzowej. Znajc poo enie wyadowania w przestrzeni i lokalizacj chmur burzowych, mo emy stwierdzi porednio, jaki rodzaj wyadowania chmurowego mia miejsce.

- 37 -


Rys. 11. Wyadowania chmurowe (zdjcie wykonane przez Michaela Batha). [54]

Na rys. 11 przedstawiono chmur burzow, w ktrej wystpuje du a aktywno wyadowa chmurowych. W lewym, grnym rogu wida rozwietlone kanay wyadowania typu chmura - powietrze. Du a liczba blisko po sobie nastpujcych wyadowa wewntrzchmurowych powoduje, e chmura ta intensywnie wieci. Wyadowania chmurowe s najczciej wystpujcym rodzajem wyadowa atmosferycznych, ale generuj o wiele mniejsze wolniejsze zmiany pola

elektromagnetycznego ni wyadowania doziemne. Szacuje si, e stanowi one 60-90 % cakowitej liczby wszystkich wyadowa elektrycznych wystpujcych podczas burzy. W przypadku burz intensywnych ich liczba mo e siga nawet 99 % cakowitej liczby wyadowa [42]. Wa nym zagadnieniem przy badaniu piorunw jest stosunek wyadowa chmurowych do wyadowa doziemnych, ktry nie jest wielkoci sta. Rys. 12 przedstawia zmiany tego stosunku w zale noci od szerokoci geograficznej. W okolicach rwnika liczba wyadowa wewntrzchmurowych jest okoo 6 razy wiksza od wyadowa doziemnych. Im dalej od rwnika tym dysproporcje pomidzy ilociami wyadowa r nych typw s mniejsze [55]. Wynika to z tego, e w obszarach rwnikowych istnieje silniejsza konwekcja (wiksza dawka promieniowania sonecznego otrzymywanego przez powierzchni Ziemi) oraz wystpuj bardziej intensywne procesy wilgotno-adiabatyczne. - 38 -


Rys. 12. Stosunek liczby wyadowa wewntrzchmurowych (Nc) do liczby wyadowa doziemnych (Ng) w zale noci od szerokoci geograficznej . [55]

Wyadowania wewntrzchmurowe zapocztkowuj okres aktywnoci elektrycznej chmury burzowej oraz rozpoczynaj procesy jej rozadowywania. Pierwsze wyadowania tego typu pojawiaj si po upyniciu okoo 10 minut od rozpoczcia mechanizmu jej elektryzacji.[56] Warunkiem powstania wyadowa wewntrzchmurowych jest powstanie w chmurze obszaru z odpowiednio wysokim nat eniem pola elektrycznego, w ktrym wystpuje du a gsto naadowanych elektrycznie hydrometeorw jak np.: kropel wody, krysztaw lodu, krupy nie nej itp. Wyadowania wewntrzchmurowe wytwarzaj zjonizowany kana czcy przeciwnie naadowane obszary znajdujce si w obrbie jednej chmury. Typowo pojawiaj si pomidzy dodatnio i ujemnie naadowanymi obszarami jednej chmury, ale mog te wystpi one z dala od skoncentrowanych obszarw adunkw dodatnich i ujemnych. redni czas trwania wyadowania wewntrzchmurowego jest porwnywalny z czasem trwania wyadowania doziemnego i wynosi rednio okoo p sekundy. Typowe wyadowanie wewntrzchmurowe przenosi adunek rzdu dziesitkw kulombw na odlegoci od kilku do kilkunastu kilometrw.[57] Rozpoczcie wewntrznej aktywnoci elektrycznej chmury burzowej poprzedza, o czas rzdu dziesitek minut pierwsze wyadowanie doziemne, dlatego detekcja wyadowa chmurowych umo liwia wczesne wykrywanie burz. Pozwala to na tworzenie skutecznych prognoz ultrakrtkoterminowych (wyprzedzenie zjawiska do ponad 1 godziny) oraz umo liwia ocen stopnia nat enia burz i zjawisk im towarzyszcych. Badajc wewntrzn - 39 -


aktywno elektryczn mo na skutecznie ledzi rozwj i kierunek przemieszczania si chmur burzowych. Monitorowanie tego typu jest du o skuteczniejsze w zastosowaniu do wyadowa wewntrzchmurowych ni do wyadowa doziemnych. Wi e si to z wiksz iloci tych wyadowa, co umo liwia uzyskanie wikszej iloci informacji (typowo 10 do 100 razy wicej) o aktywnoci elektrycznej chmury burzowej. [58, 59] Badania wyadowa chmurowych s rwnie wa ne lub te wa niejsze ni badania wyadowa chmura-ziemia. Najwa niejszym z powodw badania wyadowa chmurowych jest ich rola w transporcie adunkw wewntrz chmury oraz nie do koca zbadana kwestia wyzwalania wyadowa doziemnych przez wyadowania chmurowe. Jak dotd naukowcy posiadaj znacznie mniejsz wiedz o wyadowaniach chmurowych ni doziemnych, ze wzgldu na fakt, e wyadowania te nie nios ze sob takich zagro e dla czowieka jak te doziemne. Innym powodem jest fakt, e niektre narzdzia do badania wyadowa jak np.: aparaty fotograficzne z ruchomym filmem nie maj zastosowania w badaniu wyadowa chmurowych. W ostatnich latach badania wyadowa chmurowych s uatwione dziki rozwiniciu nowych technik pomiarowych. S to gwnie systemy stacji detekcji zmian pola elektrycznego oraz sieci stacji detekcji lokalizujcych wyadowania dziki skanowaniu pasma wysokich czstotliwoci VHF. W ostatnim czasie rozpoczto w Chinach operacyjn eksploatacj

interferometrycznego systemu SAFIR 3 D. Jest to system wykrywajcy i lokalizujcy wyadowania wszystkich typw w trjwymiarowej przestrzeni [60]. Podobnie u ytkowany operacyjnie w USA system LDAR II pozwala na lokalizacj wyadowa w przestrzeni [61]. S to dwa systemy, ktre jako pierwsze pozwalaj, dziki pomiarom porednim tj. analizie zmian pola elektromagnetycznego zaburzonego przez wyadowanie, odtworzy peny kana wyadowania chmurowego. Wicej informacji o wyadowaniach chmurowych i sposobach ich wykrywania mo na znale m.in. w: [3, 7, 63, 64, 65] 3.6. Wyadowania chmura ziemia. Wyadowanie typu chmura-ziemia wytwarza, co najmniej jeden kana zjonizowanego powietrza, ktry czy chmur z ziemi. Kanaem tym mog przebiega jednokrotne lub wielokrotne uderzenia zwrotne pioruna. Ten rodzaj wyadowania atmosferycznego jest najczciej badanym rodzajem wyadowa elektrycznym w atmosferze, ze wzgldu na stopie jego zagro enia dla obiektw naziemnych.

- 40 -


Na rys. 13 przedstawiono przykad wyadowania chmura - ziemia. Na zdjciu tym wyranie wida silnie rozgazione i rozwietlone kanay wyadowania.

Ksawery SkpskiRys. 13 Wyadowanie typu chmura - ziemia. [62]

Rys. 14 przedstawia schematyczny przebieg typowego wyadowania elektrycznego w atmosferze typu chmura - ziemia. Wyr niono na nim poszczeglne etapy tego wyadowania poczynajc od separacji adunku w chmurze, a koczc na drugim wyadowaniu zwrotnym. Wyadowanie typu chmura - ziemia mo e si rozpocz, gdy nat enie pola elektrycznego w pewnym obszarze chmury burzowej przekroczy warto okoo 3106 Vm-1 [56]. Wwczas w tej przestrzeni mo e wystpi pierwsze wyadowanie wstpne (z ang.

- 41 -


preliminary breakdown) - rys. 14 b i c. Wyadowanie to z kolei inicjuje faz tzw. lidera krokowego (z ang. stepped leader). Lider krokowy, zwany te prekursorem, jest strumieniem adunkw powodujcym jonizacj powietrza na swojej drodze i tworzcym kana zjonizowanego i wieccego powietrza o rednicy od 1 do 10 m (warto uzyskana w wyniku pomiaru fotograficznego), z rdzeniem kanau o rednicy ok. 1 cm. [3]

Rys. 14 Przebieg czasowego rozwoju typowego wyadowania elektrycznego w atmosferze typu chmura ziemia [7]. a) separacja adunku w chmurze burzowej, b) - c) wyadowanie wstpne d) - g) lider krokowy, h) poczenie si lidera krokowego z wyznacznikiem poczenia, i) - j) pierwsze uderzenie zwrotne, k) - n) formowanie si lidera strzaowego, o) pocztek drugiego uderzenia zwrotnego

- 42 -


Lider krokowy skada si z wielu drobnych kroczkw trwajcych okoo 1 s, o dugoci od 10 do 100 m (rys. 14 d-g). Przerwy pomidzy poszczeglnymi skokami wynosz od 20 do 50 s. rednia prdko propagacji lidera krokowego wynosi od 105 do 106 m/s [66]. W peni rozwinity lider krokowy mo e przenie do ziemi adunek ok. 10 C w czasie rzdu dziesitkw milisekund. redni prd lidera zawiera si pomidzy ok. 10 i ok. 1000 A [7]. Podczas skokowej propagacji lider krokowy tworzy czasami skomplikowan geometrycznie i silnie rozgazion struktur. Silne rozgazienie jest spowodowane tym, e podczas swojego ruchu ku powierzchni Ziemi gwka lidera wybiera obszary o lokalnie najwikszej jonizacji, a tak e tym, e w obszarze przemieszczania si lidera mog istnie pakiety adunkw dodatnich unoszonych przez konwekcj. Podczas ruchu lidera, cz adunku z chmury burzowej spywa do utworzonego ju kanau wyadowania dajc

przestrzenny, liniowy rozkad adunku [36]. Czoo lidera niesie bardzo wysoki potencja rzdu 107 V [57]. adunek zgromadzony na jego czole powoduje lokalny wzrost nat enia pola elektrycznego. Gdy czoo lidera zbli y si do powierzchni Ziemi na tzw. odlego uderzenia (z ang. striking distance), wtedy z miejsc na powierzchni Ziemi (rys. 14 g oraz rys. 15 a i b), w ktrych uksztatowanie sprzyja zagszczeniu linii si pola elektrycznego (miejsca gdzie znajduj si, np.: wysokie drzewa, maszty, budowle itp.), indukowane s tzw. wyznaczniki poczenia (rys. 15 c). Wyznaczniki poczenia s nazywane tak e liderami oddolnymi. S to zjonizowane kanay powietrza wybiegajce od powierzchni Ziemi w kierunku lidera krokowego. Kiedy jeden z wyznacznikw spotka si z kocwk lidera krokowego, zazwyczaj na wysokoci rzdu dziesitkw metrw, wtedy nastpuje poczenie lidera krokowego z powierzchni Ziemi (rys. 14 h i rys. 15 d), a potencja zjonizowanego kanau tego wyadowania zostaje poczony z powierzchni Ziemi. W momencie poczenia zgromadzone na powierzchni Ziemi adunki dodatnie, indukowane przez ujemny adunek chmury i kana wyadowania, mog wnikn do tego kanau i zneutralizowa zawarty w nim adunek (rys. 14 h - j). W czasie tego, zachodzcego z bardzo du prdkoci, procesu nastpuje przepyw silnej fali prdowej wraz z towarzyszcymi jej efektami: wietlnym i dwikowym. W ten sposb neutralizowane s coraz to bardziej odlege od Ziemi czci kanau wyadowania, a jego silnie wieccy odcinek wydu a si w kierunku chmury. Faz t koczy powstanie pierwszego tzw. wyadowania zwrotnego (z ang. return stroke). Jego czoo przemieszcza si w kierunku chmury z prdkoci pocztkow rzdu 30106 ms-1 [56], ktra maleje wraz z oddalaniem si czoa od powierzchni Ziemi. Czas trwania tego procesu jest krtszy ni okoo

- 43 -


Rys. 15 Zasada powstawania wyznacznika poczenia. (na podstawie [67])

100 s, a nat enie prdu typowego wyadowania zwrotnego dochodzi do wartoci 30 kA (dla wyadowa ujemnych). Czas narastania typowego impulsu prdowego do wartoci szczytowej wynosi ok. 10 s, a czas zaniku do poowy tej wartoci okoo 50 s [57]. Typowa charakterystyka amplitudowo-czasowa wyadowania zwrotnego jest podstawowym wskanikiem identyfikacyjnym wyadowania doziemnego. Kiedy zjonizowanym kanaem przestanie ju pyn prd, wystpuje okoo 20-40 ms przerwa. Potem nastpna partia

SD - odlego uderzenia (z ang. striking distance), J - poczenie (z ang. junction)

adunku mo e zacz spywa w d stale istniejcego, lecz prawie ju niewidocznego kanau pierwszego uderzenia zwrotnego (rys. 14 k - m). Tego nastpnego wyadowania nie poprzedzaj ju wyadowania wst

092 Detekcja Lokalizacja Wyladowan Atmosferycznych

Documents

Transcript of 092 Detekcja Lokalizacja Wyladowan Atmosferycznych