GrY kOmPuTeRoWe

Matek13

Piorun – w meteorologii bardzo silne wyładowanie elektryczne w atmosferze powstające naturalnie, zwykle towarzyszące burzom. Piorunowi często towarzyszy grom dźwiękowy oraz zjawisko świetlne zwane "błyskawicą". Może ono przybierać rozmaite kształty i rozciągłości, tworzyć linie proste lub rozgałęziać się do góry lub w dół. Występują błyskawice, które widoczne są jedynie jako rozjaśnienie powierzchni chmury, inne znów w ciągu ułamku sekundy przypominają swym kształtem świecący sznur pereł[1].

Podczas uderzenia pioruna wyzwala się potężna energia. Główna jej część zostaje rozproszona w postaci ciepła w powietrzu tworzącym kanał plazmy, energia cieplna w większości rozprasza się, niewielka jej część przekształca się na błysk i grzmot. Część pierwotnej energii elektrycznej zostaje rozładowana w punkcie uderzenia łuku elektrycznego w powierzchnię ziemi, co może być bardzo niebezpieczne dla znajdujących się w pobliżu ludzi oraz urządzeń.

Piorun może wywołać pożar. Uderzenia rozrywają pnie drzew i mury, potrafią oderwać płyty kamienne wykładzin dachowych, murów ważące do 100 kg i odrzucić je na kilka metrów, przepalają cienkie druty, wywołują uszkodzenia instalacji elektrycznych, telefonicznych i innych opartych o metalowe przewody, niszczą urządzenia elektryczne. Działanie na urządzenia elektryczne zapoczątkowywane jest poprzez bezpośrednie lub pośrednie uderzenie pioruna w sieć, a także w wyniku indukowania się napięcia w wyniku impulsu elektromagnetycznego gdy piorun uderzy niedaleko od sieci.

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

Wyładowania atmosferyczne zagrażają aparaturze elektronicznej w dwojaki sposób:

* przepływ prądu piorunowego może uszkodzić aparaturę i instalacje
* impuls elektromagnetyczny spowodowany wyładowaniem, może zaindukować duże napięcie

Parametry wyładowania piorunowego:

* wartość szczytowa prądu
* maksymalna stromość prądu

Wartość szczytowa prądu określa napięcie, które może zaindukować się wskutek uderzenia pioruna. Załóżmy że wartość szczytowa pioruna, który uderzył w budynek wynosi 140kA. Niech rezystancja uziemienia (bezindukcyjnego) budynku wynosi 2ohmy (co jest bardzo małą wartością). Napięcie związane z przepływem tego prądu wynosi 280kV. Jeżeli nie zostały zainstalowane ograniczniki przepięć takiemu właśnie zakłóceniu zostaną poddane linie zasilające i telekomunikacyjne. Nie wytrzyma żadne urządzenie do separacji galwanicznej (nawet transformator z izolacją olejową). Uziemienie jest niewystarczające w przypadku uderzenia pioruna w budynek.
Czas narastania prądu jest kolejnym parametrem wyładowania. Im jest on krótszy, tym krótszy jest impuls elektromagnetyczny powstający podczas wyładowania. Napięcie zakłócające które może się zaindukować podczas przepływu fali elektromagnetycznej jest proporcjonalne właśnie do wartości tego parametru. Pole elektromagnetyczne powstałe podczas wyładowania ma wąskie widmo w zakresie fal długich. Dlatego może z łatwością wnikać do wnętrza budynków. Dodatkowo, ma ono charakter magnetyczny co utrudnia ekranowanie. Napięcie indukowane przez taki impuls może osiągać wartości 100 V/m^2 (w przypadku gdy piorun uderzył 100 m od urządzenia, dziesięciokrotne skrócenie tej odległości powoduje dziesięciokrotny wzrost SEM]).

W czasie burzy nie wolno stawać pod samotnie rosnącymi drzewami, w pobliżu wysokich metalowych masztów, w które często uderza piorun ani w pobliżu linii elektroenergetycznych.

Osoba przebywająca na otwartej przestrzeni powinna znaleźć pomieszczenie, budynek, ziemiankę i schronić się w nim, z braku innej możliwości schronić się w zagłębieniu terenu, raczej nie kłaść się na ziemi (powinna dotykać do ziemi złączonymi stopami, ponieważ podczas uderzenia pioruna powstaje rozkład potencjału na powierzchni Ziemi (tzw. napięcie krokowe), odrzucić lub położyć na ziemi duże przedmioty metalowe przewodzące prąd. Osoby znajdujące się w górach powinny niezwłocznie zejść ze szczytów i grani i ukryć się w zagłębieniach, jaskiniach czy wnękach. Bardzo dobrymi miejscami na schrony są wnętrza klatek, kratownic (w tym i masztów), ale nie wolno ich dotykać, w tym także samochody chronią przed piorunem, spełniają one funkcję klatki Faradaya. Grupy osób pozostające na otwartej przestrzeni powinny się rozproszyć w odległości do kilkudziesięciu metrów, tak by na wypadek porażenia część grupy mogła udzielić pomocy porażonym.

Budynki i inne wysokie konstrukcje muszą być zabezpieczone piorunochronem, chroniącym je w czasie burzy[2]. Instalacje elektryczne, w tym i sieci przesyłowe zabezpiecza się bezpiecznikami przeciwprzepięciowymi [3]

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

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

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

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

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

Kiedy różnica potencjałów stanie się wystarczająco duża może rozpocząć się wyładowanie elektryczne. Według hipotezy zaproponowanej przez Alexa Gurevicha z Instytutu Lebiedewa w Rosji drogę wyładowania pilotującego wytyczają wysokoenergetyczne cząstki promieniowania kosmicznego. Zderzenie kosmicznego przybysza z atomem powietrza prowadzi do powstania kaskad cząstek wtórnych wytwarzających strumienie elektronów. W ten sposób w górnej naładowanej ujemnie części chmury rozpoczyna się wyładowanie pilotujące (lider, prekursor). Strumienie naładowanych cząstek pokonują odległość do ziemi skokami o długości od 30 do 50 metrów. Zachodzi przy tym jonizacja powietrza, co zmniejsza opór elektryczny. Cały proces może trwać od ok. 10 do ok. 100 milisekund (tysięcznych części sekundy). Często wyładowanie pilotujące rozdziela się na wiele odnóg, z których tylko jedna dociera jako pierwsza do celu.

Kiedy cały kanał od ziemi do chmury jest zjonizowany, znacznie zmniejsza się opór powietrza, co pozwala na przepływ znacznej ilości ładunku. Wyładowanie główne porusza się ze znacznie mniejszą prędkością rzędu 10 000 km/s (prędkość tzw. PILOTA wynosi 30 000 km/s). Główny impuls trwa kilkadziesiąt milionowych części sekundy, a przepływ prądu zanika zwykle po kilkuset.

Kiedy ujemne wyładowanie zbliży się do ziemi, od dołu wyrusza mu na spotkanie jego dodatni odpowiednik. Zwykle jego źródłem są wysoko położone obiekty (drzewa, maszty, budynki). Prawa elektrostatyki powodują, że bardzo skutecznym źródłem dodatniego wyładowania pilotującego są ostro zakończone metalowe przedmioty (patrz Ognie świętego Elma). Natężenie prądu wynosi około 250 000 A, napięcie około 30 milionów V.

Czasami wyładowanie główne pochodzące z chmury nazywane jest udarem przewodnim. Po nim występuje zwykle udar powrotny, w którym ładunek dodatni płynie z ziemi do chmury tym samym kanałem. Zwykle każde uderzenie powrotne jest opóźnione o 30-tysięcznych części sekundy.

Wyładowanie główne niesie ze sobą prąd od 30 do 50 kA, ale zdarzają się i wyładowania wytwarzające 150 kA. W czasie uderzenia przepływa ładunek rzędu 5 kulombów, a całkowita energia odpowiada 140 kWh. Taka ilość energii wystarczyłaby, aby żarówka o mocy 100 W świeciła się przez dwa miesiące. Średnie dane dotyczące piorunów mogą się różnić zależnie od warunków atmosferycznych typowych dla danego klimatu.

Pierwszy raz wzmianki o wyładowaniu z chmury burzowej do góry pojawiły się w roku 1886, ale potwierdzenie znalazły dopiero ostatnio.

Wyładowanie do jonosfery pojawia się tylko w chmurach cumulonimbus wznoszących się wysoko go góry. Ma ono zwykle kolor czerwono pomarańczowy, podobny do światła lamp neonowych i trwa dłużej niż zwykły piorun. Zwykle jest widoczne przez 17 ms. Jego źródłem jest bardzo silny piorun w kierunku ziemi, który pozbawia chmurę ładunku dodatniego. Wyładowanie w kierunku jonosfery może mieć wysokość do 50 km i pojawia się około 100 ms później. Często wyładowanie jest podwójne, a wokół niego na skutek rozgrzania plazmy powstaje poświata.

Pierwsze zdjęcia wyładowania do jonosfery wykonali 6 czerwca 1989 roku naukowcy z University of Minnesota. Nazwali to zjawisko angielskim słowem spirites nawiązującym do postaci ze sztuki Szekspira.