P I O R U N Y , P I O R U N Y ,P I O R U N Y

Jest kilka rodzajów pioru-nów, a tylko jeden z nich dosiêgaziemi – to tak zwany piorun linowypojawiaj¹cy siê na niebie w postacid³ugich rozga³êzionych b³yskawic.

Inne przebiegaj¹ pomiêdzychmurami, czasem nawet na d³ugo-œci kilkudziesiêciu kilometrów. Na-zwano je po prostu piorunami miê-dzychmurowymi.

Niedawno zaobserwowane,tak zwane krasnoludki lub duszki(ang. sprite), rozb³yskuj¹ ponad po-w³ok¹ chmur. Mog¹ swoim zasiê-giem obj¹æ obszar do 10000 m3.Duszki przypominaj¹ wygl¹dem du-¿e czerwone „meduzy” z zielonymimackami skierowanymi do do³u.Siêgaj¹ wysokoœci 90 km w górê.Pojawiaj¹ siê bezpoœrednio po zwy-k³ym wy³adowaniu, ale nie po ka¿-dym. Ludzkie oko nie zawsze mo¿eje dostrzec, a obserwacje prowa-dzone za pomoc¹ przyrz¹dów elek-tronicznych z samolotów i wie¿ me-

teorologicznych nie zawsze by³yskuteczne, ze wzglêdu na wystêpu-j¹ce podczas wy³adowañ zaburze-nia pól elektromagnetycznych. Po-nad chmurami pojawiaj¹ siê te¿pionowe wy³adowania, o wieles³absze od elfów. D¿ety to b³êkitnesto¿ki siêgaj¹ce 36 km w górê,

przemieszczaj¹ce siê z prêdkoœci¹100 km/s. Widoczne za pomoc¹ bar-dzo czu³ych kamer. Ich natura niejest zbadana.

Pioruny pere³kowe i ³añcu-chowe przypominaj¹ kszta³temsznur œwietlistych pere³ lub ognisty³añcuch, tak jakby rozcz³onkowan¹b³yskawicê liniow¹.

Najdziwniejsze s¹ piorunykuliste. S¹ to skupiska, jak samanazwa wskazuje, w kszta³cie kul,jaskrawo œwiec¹cego zjonizowane-go gazu, o œrednicy najczêœciej kil-kudziesiêciu centymetrów. Zwykleœwiec¹ ¿ó³to, choæ spotykano czer-wonawe, pomarañczowe czy naweto zielonkawym odcieniu. Pojawiaj¹siê jakby znik¹d i p³yn¹ w powie-

trzu. Mog¹ wpaœæ przez otwór dopomieszczeñ, wlecieæ przewodemwentylacyjnym, po czym wyp³yn¹æbezg³oœnie innym otworem. Czasempêkaj¹ z hukiem lub na trasie swo-jej wêdrówki pozostawiaj¹ osmalo-ne œlady. Jednak to piêkne zjawiskomo¿e byæ œmiertelnie niebezpiecz-

ne. Mo¿e poraziæ pr¹dem lub spo-wodowaæ wy³adowania w odbiorni-kach podpiêtych do sieci elektrycz-nej. Podczas spotkania z piorunemkulistym nale¿y staæ spokojnie i niezbli¿aæ siê do niego.

Wyj¹tkowymi wy³adowania-mi s¹ tak zwane ognie œw. Elma.S¹ to ma³e i ciche wy³adowania at-mosferyczne, obserwowane pod-czas burz w pobli¿u przedmiotówo ostrych krawêdziach lub zakoñ-czeniach (takich jak maszty, antenyczy ska³y). Powodowane s¹ silnymi nag³ym wzrostem natê¿enia polaelektrycznego wokó³ tych przed-miotów. W miejscach skupienia ³a-dunków przybieraj¹ postaæ ma³ychœwiec¹cych iskierek, za dnia ledwowidocznych, noc¹ zaœ doœæ widowi-skowych. Czêsto towarzyszy im sy-czenie. Ten rodzaj wy³adowañ mo¿-na najczêœciej zaobserwowaæ namasztach statków. Marynarze po-strzegaj¹ ognie œw. Elma za dobryznak, mimo i¿ nale¿a³oby je potrak-towaæ jako sygna³ do ucieczki.

Najczêœciej d³ugoœæ piorunawaha siê w granicach kilometra,ale spotkano tak¿e takie, które mia-³y wiêcej ni¿ 10 km. Zanotowany re-kordzista mierzy³ nawet 150 kilome-trów d³ugoœci.

p r z y r o d a i t e c h n i k a

Lato to pora, gdy na naszej półkuli

pojawia się znaczna ilość burz. Jednych grzmoty i świetlne efekty na niebie przerażają, a dla innych

to fascynujący spektakl przyrody. Na całej kuli ziemskiej uderza co minutę około 6000 piorunów. Najwięcej w rejonach tropikalnych.

Piorun międzychmurowy

Piorun kulisty

TEKST ŁATWY

Pioruny i błyskawiceW K

MŁODY

TECHNIK

8/2005

2266

J A K T O M O ¯ L I W E ?

Ale jak to mo¿liwe, ¿e nie-przewodz¹ce pr¹du elektrycznegopowietrze staje siê nagle drog¹ dlapêdz¹cych ³adunków elektrycz-nych?

Wy³adowania atmosferycznepowstaj¹, gdy w chmurach burzo-wych zgromadzi siê du¿a iloœæ ³a-dunków elektrycznych i powstanieró¿nica potencja³ów pomiêdzychmurami a ziemi¹. W czasie ru-chów nagrzanych mas powietrzazawarta w nich para wodna elektry-zuje siê. Pojawiaj¹ siê tak zwanecentra, czyli aktywne oœrodki nios¹-ce znaczne ³adunki elektryczne. Wchmurze nastêpuje tzw. separacja³adunku. £adunki ujemne gromadz¹siê na dole chmury, a dodatnie nagórze (jest to jedna z teorii separacji³adunku w chmurze stworzonaprzez angielskiego fizyka C. Wilso-na). Ujemny ³adunek na dnie chmu-ry staje siê na tyle du¿y, ¿e napiêciepomiêdzy ziemi¹ a chmur¹ dochodzido 100 000 000 V. Ma wiêc wartoœækilkuset milionów woltów [V], czylikilkuset megawoltów [MV]. Nie jestto jednak sta³a wartoœæ, bo zale¿nieod panuj¹cych w danej chwili wa-runków atmosferycznych (obfitoœæ

deszczu, zanieczyszczenie, tempe-ratura i ciœnienie powietrza) mo¿ebyæ mniejsza lub wiêksza. Dla po-równania, w naszych gniazdkachelektrycznych znajduje siê 230 V,w telefonie ok. 40 V, w sieci tram-wajowej 600 V, a w liniach wysokie-go napiêcia do 4 500 000 V (4,5 MV).Wzglêdem chmury Ziemia jest na³a-dowana dodatnio. Miêdzy ziemi¹ achmur¹, w powietrzu, powstaje poleelektryczne. W powietrzu, pomiêdzyobojêtnymi cz¹steczkami gazów, za-wsze znajduje siê pewna iloœæ cz¹-steczek o okreœlonym ³adunku elek-trycznym, czyli jonów. Pod wp³y-wem powsta³ego pola elektryczne-go jony zaczynaj¹ siê poruszaæ i roz-

pêdzaæ. W swoim pêdzie zderzaj¹siê z obojêtnymi cz¹steczkami ga-zów, co powoduje wybicie elektro-nów, a wiêc powstanie nowych jo-nów. One te¿ przyspieszaj¹, zderza-j¹ siê z obojêtnymi cz¹steczkami.Powstaj¹ nowe jony i tak dalej, i takdalej. W powietrzu powstaje obszarpe³en ³adunków, powstaje droga dlapr¹du elektrycznego.

Naukowcy obserwuj¹cy bu-rzê na zdjêciach w zwolnionymtempie zauwa¿yli, ¿e wy³adowaniezaczyna siê jako tzw. zstêpuj¹cyprzewodnik (prekursor). Z chmurywysuwa siê d³ugi kana³ o niewiel-kiej œrednicy, którym bardzo szybkow stronê ziemi sp³ywa ³adunekchmury . Pomiêdzy kana³ema powietrzem nastêpuje wstêpnewy³adowanie (o jasnoœci znaczniemniejszej ni¿ znana nam b³yskawi-ca), a wiêc zrównowa¿enie ³adun-ków.

I znowu pole rozpêdza jony,nastêpuje przep³yw ³adunków. Pre-kursor znowu pêdzi w kierunku zie-mi z prêdkoœci¹ 50 km/s. Przebiega50 m i zatrzymuje siê. „Odpoczy-wa” oko³o 50 nanosekund i znowuposuwa siê o krok, zwykle w niecoinnym kierunku. Nastêpuje kolejnewstêpne wy³adowanie. I tak wielo-krotnie sytuacja siê powtarza, za-nim kana³ niedotrze bardzoblisko ziemi.Gdy w koñcu³adunek ujem-ny zbli¿y siê,z ziemi zaczy-na siê wy³ado-

wanie w jego kierunku. Drugi, du¿ojaœniejszy „przewodnik” wyra-sta z gruntu, pêdz¹c na spotkaniewyp³ywaj¹cego z chmury prekurso-ra. Natê¿enie pola i jonizacja po-wietrza s¹ wystarczaj¹co du¿e, abytakie wy³adowanie sta³o siê mo¿li-we. To wy³adowanie powrotne roz-poczyna siê wiêc z ziemi w kierun-ku prekursora. Gdy oba prekursorysiê po³¹cz¹, powstaje kana³ przewodz¹cy pr¹d. Za pomoc¹ sa-telity badawczego BS6651 wypusz-czonego przez NASA naukowcyzbadali œrednie natê¿enie pr¹dup³yn¹cego przez b³yskawicê: mo¿eono wynieœæ od 2000 A a¿ do ponad200000 A ze wzrostem natê¿enia domaksymalnego w czasie mniej ni¿10 mikrosekund. Wówczas niemalwszystkie zgromadzone ³adunkiprzep³ywaj¹ przez kana³-b³yskawi-cê. Po kilku setnych sekundy odznikniêcia uderzenia powrotnego,

przebiega po tej samej drodze drugiprekursor, zwany ciemnym, którynie przystaj¹c ju¿ ani na chwilê,niesie nastêpn¹ porcjê ³adunkówujemnych. Czasem widaæ w tym sa-mym miejscu drug¹, trzeci¹, lub na-wet kilkadziesi¹t b³yskawic, poja-wiaj¹cych siê jedna po drugiej, bie-gn¹cych prawie w tym samymmiejscu. Wzrasta temperatura po-

3

2

1

1 2 3

MŁODY

TECHNIK

8/2005

2277

Można określić, w jakiej odległości trwa burza z piorunami,mierząc czas między rozbłyskiem a pierwszym grzmotem.Każde sześć sekund to dystans około 2 km.Dźwięk porusza się z prędkością około 340 m/s. Dzięki pomia-rowi różnicy czasu pomiędzy obserwacją błysku i grzmotumożna oszacować, w jakiej odległości uderzył piorun, przyj-mując dla uproszczenia jeden kilometr na trzy sekundy.

wietrza, a ziemi¹ wstrz¹sa d³ugiog³uszaj¹cy grzmot. Czêsto pierw-szy prekursor rozga³êzia siê na dwalub wiêcej ramion, które gdy osi¹-gn¹ jednoczeœnie po-wierzchniê ziemi, po-woduj¹, ¿e uderzeniepowrotne posuwa siêwzd³u¿ nich wszyst-kich jednoczeœnie. Po tym spektakluchmura znowu zaczyna siê „³ado-waæ” i po 5 sekundach jest gotowado ponownego dzia³ania.

C O S I Ê W Y D A R Z Y £ O ?

Przez powietrze przep³yn¹³wielki strumieñ ³adunków elek-trycznych, a wiêc przep³yn¹³ pr¹delektryczny, nast¹pi³ przep³yw elek-tronów z chmury do ziemi. Ruchw³aœciwej, jasnej b³yskawicy odby-wa siê odwrotnie ni¿ przep³yw real-nych ³adunków tj. od ziemi do

chmury. Gdy ³adunki zrównowa¿y-³y siê, wszystko zamar³o.

Podczas przep³ywu b³y-skawicy powietrze na

jej drodze zmieniasiê na u³amek

sekundy

w plazmê – czwarty stan skupieniamaterii. Ca³e wy³adowanie trwa³ooko³o 0,02 do 0,05 sekundy. To w³a-œnie uderzenie powrotne jest odpo-wiedzialne za oœlepiaj¹cy b³yski ogromny huk. Na drodze przejœciab³yskawicy wydzieli³o siê bardzodu¿o ciep³a (zgodnie z prawem Joule’a) i powietrze rozgrzane dotemperatury ok. 30 000 stopni Cgwa³townie siê rozprê¿y³o, co z ko-lei spowodowa³o olbrzymi huk.

N I E B E Z P I E C Z N Y P R ¥ D

Przebywanie podczas burzyna otwartym terenie wi¹¿e siêz niebezpieczeñstwem pora¿eniaelektrycznego przez piorun. Niebez-pieczne jest nie tylko bezpoœrednietrafienie ³adunkiem w istotê ¿yw¹,ale te¿ wy³adowanie w pewnej od-

leg³oœci od cz³owieka. Gdy piorunuderzy na przyk³ad w drzewo i ³a-dunek sp³ynie do ziemi, pod po-wierzchni¹ wystêpuje du¿e napiê-cie. Podczas poruszania siê cz³o-wieka ró¿nica potencja³ów miêdzyjedn¹ a drug¹ nog¹ mo¿e doprowa-dziæ do pora¿enia. Kiedy b³yskawi-ca dosiêga ziemi, stapia wszystko,co tylko znajduje siê obok. Tempe-ratura w miejscu uderzenia siêga30000 stopni Celsjusza.

O C H R O N A P R Z E D P I O R U N A M I

Podstaw¹ ochrony powinienbyæ zdrowy rozs¹dek. B³yskawicetrafiaj¹ w miejsca o najmniejszymoporze elektrycznym, najczêœciejw drzewa, wzgórza i wysokie bu-dynki. Dlatego najgorszym miej-scem do schronienia siê przed bu-rz¹ jest wysokie, odosobnione drze-wo! Je¿eli b³yskawica uderza wwilgotny przedmiot – na przyk³ad

drzewo czy œcianê – wówczasnatychmiastowe wrzenie

wilgoci powoduje takgwa³towne rozsze-

rzanie siê pary,¿e wydaje

siê,

i¿ przedmioty te eksploduj¹. Trafie-nie piorunem mo¿e spowodowaæoparzenia, powa¿nie uszkodziæwa¿ne organy, a nawet zatrzymaæserce. Ginie co czwarty cz³owiekpora¿ony gromem.

Podczas burzy bezpieczniejjest w budynku, jaskini, kanionie. Le-piej pozostaæ w domu i nie wycho-dziæ, chyba ¿e jest to naprawdê ko-nieczne. Ryzykowne jest pozostawa-nie w wodzie i na wodzie w ³ódkach.

Warto zostaæ w samocho-dzie, gdy¿ s¹ one jednymi z bez-pieczniejszych miejsc do ukryciasiê. W przypadku uderzenia pioru-na pr¹d sp³ynie po karoserii, nie pe-netruj¹c wnêtrza. Jeœli nie ma wpobli¿u schronienia, nale¿y unikaæwysokich obiektów w okolicy. Trze-ba poszukaæ obni¿eñ terenu, jakw¹wóz czy dolina, i trzymaæ siê

z dala od obiektów me-talowych. Osoby prze-bywaj¹ce w wiêkszejgrupie powinny siê roz-proszyæ.

T E C H N I K A B R O N I P R Z E D P O R A ¯ E N I E M

Z zasad fizyki wynika, ¿e doœrodka pomieszczenia oplecionegodooko³a przez przewody, pole elek-tryczne zewnêtrzne nie dociera – ta-ki system stanowi doskona³e ekra-nowanie przed polem dochodz¹cymz zewn¹trz. Pomieszczenie i jegow³aœciwoœci po oplecieniu przezprzewody zosta³o zbadane przez Fa-radaya i nosi od jego nazwiska na-zwê „klatka Faradaya”. Wszystkieinstalacje odgromowe sk³adaj¹ siêz przewodów otaczaj¹cych chronio-ny obiekt i stanowi¹ w³aœnie du¿¹klatkê Faradaya. Oczka w tej klatcemog¹ byæ bardzo du¿e, mimo toklatka nie traci swoich w³aœciwoœciw kontakcie z piorunem. Problempolega na bardzo dok³adnym po³¹-czeniu poszczególnych przewodóworaz ich dobrym uziemieniu. Pioru-nochrony zak³ada siê przeciwkopiorunom liniowym, które zmierza-j¹ do ziemi jak najkrótsz¹ drog¹,szukaj¹c obiektów o najni¿szym po-tencjale elektrycznym (czyli najwy¿-szych obiektów w okolicy). Domyjednorodzinne stoj¹ce w zwartej za-budowie lub poœród wysokich drzewnie wymagaj¹ instalacji odgromo-wej, s¹ w mniejszym stopniu nara-¿one na uderzenie pioruna, ale mo¿-

Pewnegorazu Benja-min Franklinpuszczał latawiecw czasie burzy.Do sznurka, który trzymałw ręku, przymocował meta-lowy klucz. Gdy piorun uderzyłw mokry sznurek latawca, prądelektryczny spłynął w kierunku kluczai Franklina. Mogło to spowodować śmierćbadacza, tak jak to się stało z niektórymiśmiałkami, próbującymi powtórzyć jego do-świadczenie. Przygoda ta pomogła wynaleźć pioru-nochron. Pierwszy taki przyrząd Franklin zainstalowałna swoim domu w Filadelfii w 1752 roku.

MŁODY

TECHNIK

8/2005

2288

Prawo Joule’a-LenzaIlość wydzielonego ciepła na przewodniku jest równa pracy prąduelektrycznego, jaką on wykonał podczas przejścia przez obwód.

p r z y r o d a i t e c h n i k a

liwoœæ taka jednak istnieje. Pioruno-chron musi mieæ koniecznie dom, je-œli jest wy¿szy ni¿ 15 m, a jego po-wierzchnia przekracza 500 m2 i stoion w zabudowie rozproszonej. Zapro-jektowanie i monta¿ instalacji powin-no byæ wykonane przez specjalistê.

P I O R U N O C H R O N

w du¿ym uproszczeniu, to kawa³drutu u³o¿ony na dachu, który masprowadziæ wy³adowanie elektrycz-ne do ziemi.

Fachowo mówi¹c, zewnêtrz-na instalacja odgromowa sk³ada siêz przewodów uziemiaj¹cych, po³¹-czeniowych uziomów i zwodów.

Zwody to czêœæ instalacji,montowana na najwy¿szych miej-scach na dachu. Zwykle montujesiê ich kilka: na kominach, kalenicy,wystaj¹cych nadbudówkach. Zwo-dy przyjmuj¹ uderzenia piorunów,zbieraj¹ ³adunki elektryczne. Zwo-dy mog¹ mieæ postaæ wisz¹cego,rozpiêtego na dachu przewodu lubbyæ zamocowane przy u¿yciuuchwytów. Do zwodów powinnybyæ pod³¹czone wszystkie metalo-we elementy dachu. Szczególnienale¿y zadbaæ o bezpieczeñstwomasztów antenowych.

Uziomy to czêœæ instalacjiu³o¿ona w ziemi. S³u¿y do rozpro-

wadzania ca³ej energiiwy³adowania. Wyko-nuje siê je w postacimetalowej taœmy, takzwanej bednarki, za-kopanej na odpowied-ni¹ g³êbokoœæ w ziemi(uziom otokowy), sondx-profilowych (takzwanych szpilek), wy-korzystuj¹c zbrojeniaœcian i fundamentówlub przebiegaj¹cych w pobli¿u domu

ruroci¹gów.Przewody po-³¹czeniowe –odprowadzaj¹-ce stanowi¹drogê, po któ-rej wy³adowa-nie sp³ywa douziomu, a po-przez niego do ziemi. Najczêœciejs¹ wykonane z metalowej linki (sta-lowa, aluminiowa, miedziana), rza-dziej z drutu. Przewody powinnybyæ przeprowadzone z dala odokien, drzwi czy innych otworów.Nie powinny siê za³amywaæ,bo z takiego miejsca, w sposóbniekontrolowany, mo¿e prze-skoczyæ iskra.

Pomiêdzy przewodem auziomem powinno byæ zainsta-lowane tak zwane z³¹cze kon-trolne, pozwalaj¹-ce oceniæ stan in-stalacji.

Tradycyjne-go piorunochronunie mo¿emy zain-stalowaæ na ka¿-dym budynku. Nawie¿owcu, drapa-czu chmur, wyso-kiej wie¿y instala-cje odgromoweby³yby po prostu

zbyt wielkie. Czasa-mi jest to tak¿eutrudnione ze wzglê-dów estetycznych,np. w przypadkuobiektów zabytko-wych. Stosuje siêwtedy tzw. pioruno-chrony aktywne.Odgromnik aktywnyumieszcza siê dwa metry powy¿ejnajwy¿szego punktu chronionegoobiektu. Powoduje on lokalne zjoni-zowanie powietrza, co pozwala wy-znaczyæ punkt uderzenia pioruna.System ten przechwytuje szybciejwy³adowanie i ogranicza miejscejego przep³ywu.

Jednym z efektów uderzeniapioruna jest olbrzymie pole elektro-magnetyczne towarzysz¹ce prze-p³ywowi ogromnych natê¿eñ. Na-wet w odleg³oœci kilkuset metrówczu³e przyrz¹dy elektroniczne mog¹mieæ zaburzone dzia³anie. Na pew-no ka¿dy s³ysza³ trzaski wydoby-waj¹ce siê z radia podczas burzy.Wiêkszoœæ bardzo czu³ych urz¹dzeñelektronicznych zabezpieczonychjest klatk¹ Faradaya. Ryzyko uszko-dzenia sprzêtu mo¿na zminimalizo-waæ od³¹czaj¹c go od instalacjielektrycznej i antenowej. Dla ochro-ny sprzêtu audio-wideo lub kompu-terowego stosuje siê równie¿ spe-cjalne bezpieczniki przepiêciowe.

MŁODY

TECHNIK

8/2005

2299

Dzwonki FranklinaUrządzenie elektrostatyczne wynalezione przez Benjamina Franklina. Informujeo nadchodzącej burzy. Zasada działania i konstrukcja dzwonków jest prosta. Doich realizacji Franklin użył dwóch dzwonków – jeden uziemił, do drugiego zaś przy-czepił pręt odgromowy, a między nimi wahadło. Gdy zbliżała się burza, powietrzeelektryzowało się, a wraz z nim dzwonek. Wahadło przenosiło ładunek poprzezdrugi dzwonek na uziemienie i dzwonki zaczynały dzwonić.Warto zastanowić się nad tym, co tak naprawdę dzieje sięna niebie podczas burzy i jak przed tragicznymi skutkamiwyładowań atmosferycznych możemy się ochronić. Wszak piorun w ułamku sekundy może podpalić budynek,zwalić drzewo czy zabić żywą istotę.

Instalacja odgromowa na da dachu

Replika modeluz XVIII w.

Aktywnagłowica