piorun
Piorun – bardzo silne wyładowanie elektrostatyczne występujące w atmosferze ziemskiej podczas burzy, spowodowane dużą różnicą potencjałów elektrostatycznych między ujemnie naładowaną podstawą chmury burzowej i dodatnio naładowanym punktem na powierzchni ziemi, między przeciwnie naładowanymi chmurami burzowymi lub przeciwnie naładowanymi obszarami tej samej chmury burzowej (dodatnio naładowanymi kryształkami lodu w partiach górnych i ujemnie naładowanymi kroplami wody w partiach dolnych). Charakterystycznymi zjawiskami towarzyszącymi piorunowi są efekty świetlne (tzw. błyskawice) wywołane emisją promieniowania świetlnego przez atomy gazów atmosferycznych (np. azotu, tlenu, wodoru) wzbudzonych w wyniku wzrostu temperatury w kanale wyładowania, oraz efekty dźwiękowe (tzw. grzmoty) spowodowane gwałtownym rozprężaniem nagrzanych mas powietrza wzdłuż kanału wyładowania. Pioruny, ze względu na kształt błyskawicy, zróżnicowane są na pioruny liniowe (rozgałęzione linie osiągające długość od kilku do kilkudziesięciu km), pioruny kuliste (rozżarzone kule zjonizowanego gazu o średnicy kilkudziesięciu cm) oraz pioruny łańcuchowe (łańcuchy złożone z oddzielnych odcinków lub punktów świetlnych). Znaczne ilości energii uwalniane podczas uderzenia pioruna mogą wywoływać pożary lub prowadzić do uszkodzeń budynków, instalacji elektrycznej i telekomunikacyjnej oraz podłączonych do prądu urządzeń elektrycznych; pioruny stanowią również poważne zagrożenie dla zdrowia i życia człowieka.
Burza z piorunami
Burza, określana również mianem burzy z piorunami (ang. thunderstorm), jest zaburzeniem równowagi atmosfery ziemskiej obejmującym zespół zjawisk meteorologicznych związanych z powstawaniem chmur kłębiastych deszczowych (Cumulonimbus). Zjawiska te obejmują intensywne opady atmosferyczne (opady deszczu, śniegu lub gradu), zaburzenia ruchu mas powietrza (silne i porywiste wiatry, szkwały, tornada) i wyładowania atmosferyczne, czyli pioruny wraz z towarzyszącymi im efektami świetlnymi – błyskawicami oraz dźwiękowymi – grzmotami. Burze z piorunami tworzą się w troposferze wskutek szybkiego ochładzania się mas nagrzanego i wilgotnego powietrza wznoszących się do wyższych warstw atmosfery przy udziale silnych prądów wstępujących (ruchów konwekcyjnych) powstających nad nagrzanymi lądami (burze konwekcyjne) lub wypieranych przez napływające masy chłodnego powietrza o niższej wilgotności (burze frontalne). Burze są zjawiskami występującymi na obszarze całej kuli ziemskiej, z największą częstotliwością w strefie międzyzwrotnikowej i strefach klimatu umiarkowanego Ziemi (głównie w okresie wiosenno-letnim). Burze w strefie podbiegunowej są bardzo rzadkie, co wynika głównie z niskiej temperatury oraz wilgotności powietrza.
Wyładowania elektrostatyczne (pioruny)
Piorun jest bardzo silnym wyładowaniem elektrostatycznym (elektrycznym) powstającym naturalnie w dolnej warstwie atmosfery Ziemi (troposferze) związanym z rozwojem chmur kłębiastych deszczowych Cumulonimbus (czyli tzw. chmur burzowych). Główną przyczyną wyładowań atmosferycznych jest duża różnica potencjałów elektrostatycznych (osiągająca wartości rzędu 10⁸ V) istniejąca pomiędzy:
- ujemnie naładowaną podstawą chmury burzowej i dodatnio naładowanym punktem na powierzchni ziemi (np. drzewem, krzyżem na szczycie góry, wysokim budynkiem, masztem telefonii komórkowym) – tzw. wyładowanie atmosferyczne doziemne (CG, ang. Cloud-to-Ground);
- przeciwnie naładowanymi obszarami chmury burzowej, czyli dodatnio naładowanymi kryształkami lodu w chłodniejszych partiach górnych oraz ujemnie naładowanymi kroplami wody w cieplejszych partiach dolnych – tzw. wyładowanie atmosferyczne wewnątrzchmurowe (IC, ang. Intra-Cloud);
- przeciwnie naładowanymi chmurami burzowymi położonymi w bliskiej odległości od siebie – tzw. wyładowanie międzychmurowe (CC, ang. Cloud-to-Cloud).
Na obszarze całej kuli ziemskiej w tej samej chwili występuje ok. 1800-2000 burz z piorunami zaś w przeciągu jednej sekundy ma miejsce ok. 100 wyładowań atmosferycznych. Znaczną ich większość (ok. 2/3) stanowią wyładowania zachodzące w obrębie chmur burzowych; ze znacznie mniejszą częstotliwością (ok. 1/3) występują wyładowania doziemne.
Mechanizm powstawania piorunów doziemnych
Wyładowanie doziemne rozpoczyna się, gdy różnica potencjałów elektrostatycznych między ujemnie naładowaną chmurą burzową i dodatnio naładowanym punktem na powierzchni ziemi osiąga wartość krytyczną. Chmurę burzową w pierwszej kolejności opuszcza niewielka ilość ujemnie naładowanego ładunku elektrycznego (tzw. wyładowanie pilotujące). Ładunek ten, określany mianem lidera (prekursora), zmierza skokowo w kierunku ziemi z prędkością ok. 30 tys. km/s w kanale zjonizowanego powietrza utworzonym w wyniku zderzania cząstek promieniowania kosmicznego z atomami atmosfery. Z chwilą osiągnięcia przez lidera miejsca docelowego (miejsca uderzenia) następuje wyładowanie powrotne biegnące z powierzchni ziemi do chmury. Całkowita jonizacja kanału łączącego chmurę z ziemią znacznie zmniejsza opór elektryczny powietrza, umożliwiając przepływ większej ilości ładunku elektrycznego (tzw. wyładowanie główne). Drogę wytyczoną uprzednio przez lidera pokonuje tym razem piorun właściwy o natężeniu 30-50 kA i napięciu 10-100 MV, który porusza się z mniejszą prędkością wynoszącą ok. 10 tys. km/s. Piorunowi towarzyszą błyskawice wywołane emisją światła przez atomy gazów atmosferycznych (np. azotu, tlenu, wodoru) wzbudzonych przez wzrost temperatury powietrza (ok. 30000°C) oraz grzmoty spowodowane falą uderzeniową powstającą w wyniku gwałtownego rozprężania się nagrzanych mas powietrza. Wyładowania powtarzają się wielokrotnie do chwili wyrównania ładunków pomiędzy chmurą i ziemią.
Rodzaje piorunów
Pioruny są zjawiskami meteorologicznymi klasyfikowanymi głównie w oparciu o kształt towarzyszących im błyskawic oraz sposób powstawania tych zjawisk optycznych podczas burzy. Powszechnie występującym i dokładnie zbadanym wyładowaniem elektrostatycznym są pioruny liniowe przyjmujące postać rozgałęzionych linii świetlnych osiągających długość od kilku do kilkudziesięciu km. Kształt piorunów liniowych odzwierciedla przebieg kanałów zjonizowanego powietrza, którymi ładunki elektryczne przemieszczają się pomiędzy ujemnie naładowaną chmurą burzową i dodatnio naładowaną powierzchnią ziemi. Znacznie rzadsze są pioruny kuliste w postaci rozżarzonych kuli zjonizowanego gazu o barwie białej, żółtej lub jasnoniebieskiej, osiągające średnicę od kilku do kilkudziesięciu cm. Pioruny kuliste pojawiają się sporadycznie przy powierzchni ziemi oraz poruszają się w różnych kierunkach z niewielką prędkością (ok. 2 m/s). Są wyładowaniami krótkotrwałymi, przeważnie zanikają po upływie kilkudziesięciu sekund. Często towarzyszą im efekty dźwiękowe (np. syczenie, warczenie, trzaski) i zapach spalenizny. Bardzo rzadkim rodzajem pioruna jest także piorun łańcuchowy (paciorkowy, perełkowy) pojawiający się z reguły w kanale utworzonym przez wyładowanie liniowe. Piorun ten ma kształt łańcuszka złożonego z oddzielnych odcinków bądź punktów świetlnych o barwie żółtej lub pomarańczowo-czerwonej. Znaczna większość wyładowań występujących podczas burzy stanowią jednak pioruny nie docierające do powierzchni ziemi (np. wyładowania wewnątrzchmurowe). Ich przykładem są pioruny płaskie widoczne jako krótkotrwałe rozbłyski świetlne rozjaśniające powierzchnię chmury burzowej.
Skutki uderzenia pioruna
Pioruny są bardzo silnymi wyładowaniami atmosferycznymi niosącymi ogromny ładunek elektryczny. Przepływ prądu elektrycznego o wysokiej wartości napięcia i natężenia oraz znaczne ilości energii uwalniane w krótkim okresie czasu podczas uderzenia pioruna mogą więc wywoływać pożary, rozrywać pnie drzew, rozsadzać mury budynków bądź prowadzić do poważnego uszkodzenia instalacji elektrycznej i telekomunikacyjnej (np. izolacji przewodów) oraz podłączonych do sieci urządzeń elektrycznych (np. telewizorów, komputerów, sprzętów gospodarstwa domowego). Wyładowania elektryczne zachodzące podczas burzy zakłócają także prawidłową pracę układów elektronicznych (np. układów scalonych). Pioruny stanowią poważne zagrożenie dla zdrowia oraz życia człowieka. Porażenie piorunem może nastąpić wskutek bezpośredniego uderzenia pioruna, uderzenia pioruna w ziemię w bliskiej odległości od człowieka, przez wyładowanie iskrowe (przejście prądu po powierzchni ciała) bądź falę uderzeniową powstającą po uderzeniu pioruna. Jego skutki obejmują oparzenia, zaburzenia wzroku i słuchu, złamania kości, uszkodzenie ośrodkowego układu nerwowego (np. paraliż kończyn), arytmię i zatrzymanie krążenia, upośledzenie funkcji nerek, utratę przytomności; bezpośrednie uderzenie pioruna w ciało może doprowadzić do śmierci człowieka.
