Patrzysz na czarne chmury i zastanawiasz się, co właściwie dzieje się nad twoją głową? Chcesz zrozumieć, jak powstaje burza i skąd biorą się pioruny? Z tego artykułu dowiesz się, jak krok po kroku rodzi się burza oraz jak zadbać o swoje bezpieczeństwo, gdy niebo zaczyna błyskać.
Jak powstaje burza?
Burza zaczyna się dużo wcześniej, niż zobaczysz pierwszą błyskawicę. Wszystko startuje przy ziemi, gdy podłoże mocno się nagrzewa, a powietrze jest wilgotne. Ciepłe, lekkie powietrze zaczyna unosić się do góry, unosząc ze sobą parę wodną. Im wyżej, tym jest chłodniej, więc para skrapla się i tworzą się chmury.
Jeżeli powietrze jest szczególnie ciepłe, a różnica temperatur między dolnymi i górnymi warstwami atmosfery duża, zwykłe chmury szybko przeobrażają się w potężne chmury burzowe Cumulonimbus. Taka chmura może mieć nawet kilkanaście kilometrów wysokości i charakterystyczny, „kalafiorowy” kształt z płaskim wierzchołkiem przypominającym kowadło. W jej wnętrzu powstają bardzo silne prądy wstępujące i zstępujące, które mieszają powietrze, krople wody i kryształki lodu.
W takiej chmurze nie tylko powstają opady deszczu lub gradu. To właśnie w Cumulonimbusach gromadzą się ładunki elektryczne, które później „rozładowują się” w postaci piorunów. Gdy wyładowaniom towarzyszą intensywne opady, wiatr i grzmoty, mówimy o pełnoprawnej burzy.
Jaką rolę odgrywa ciepłe i wilgotne powietrze?
Ciepłe i wilgotne powietrze jest paliwem dla burzy. W czasie upałów nagrzana ziemia przekazuje część energii powietrzu tuż nad powierzchnią. Staje się ono lżejsze od otoczenia, więc zaczyna się unosić. Jeśli zawiera dużo pary wodnej, w wyższych, chłodniejszych warstwach dochodzi do kondensacji i tworzenia chmur.
Kiedy ten proces przebiega bardzo intensywnie, zwykłe chmury szybko rosną w pionie. W krótkim czasie z małej chmurki kłębiastej powstaje masywna chmura Cumulonimbus, w której zachodzą gwałtowne procesy: w środku unoszą się gorące masy powietrza, a z boków i od góry spływają zimniejsze. Taka „nasilona konwekcja” oznacza większą szansę na silną burzę z piorunami.
Jakie są rodzaje burz?
Nie każda burza ma takie samo pochodzenie. Meteorolodzy – m.in. specjaliści z Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej – dzielą burze przede wszystkim na burze wewnątrzmasowe i burze frontowe. Ten podział pomaga zrozumieć, dlaczego jednego dnia burza jest krótka i lokalna, a innego rozciąga się na setki kilometrów i przynosi grad oraz wichurę.
Burze wewnątrzmasowe pojawiają się zwykle podczas upałów, kiedy silnie nagrzane podłoże ogrzewa powietrze nad sobą. Takie burze bywają „punktowe” – jedna dzielnica tonie w deszczu, a kilka kilometrów dalej jest sucho. Burze frontowe sformują się tam, gdzie spotykają się masy powietrza o różnych właściwościach, na przykład chłodne powietrze napływa na bardzo ciepły i wilgotny obszar. Różnica temperatur powoduje gwałtowne unoszenie się ciepłej masy i powstanie rozległego układu chmur burzowych.
Jak powstają chmury burzowe Cumulonimbus?
Chmura burzowa nie jest zwykłym „kłębkiem pary”. W jej wnętrzu zachodzi wiele procesów jednocześnie. W dolnej części znajdują się głównie krople wody, wyżej – mieszanina kropli i kryształków lodu, a w najwyższej strefie dominują drobne kryształki lodu unoszone przez silne prądy.
Gorące powietrze unosi w górę cząsteczki wody, które z czasem łączą się w krople. Kiedy wznoszą się jeszcze wyżej, temperatura spada poniżej zera i tworzy się lód. Kryształki lodu i krople zderzają się ze sobą, rozbijają, a w wyniku tego zderzania między cząstkami przenoszone są ładunki elektryczne. Część cząstek zyskuje ładunek dodatni, inne – ujemny. Z czasem ładunki w chmurze zaczynają się rozdzielać na większą skalę.
Jak przebiega rozdział ładunków?
W typowej chmurze burzowej górna część jest naładowana dodatnio, a dolna ujemnie. Dzieje się tak dlatego, że mniejsze i lżejsze cząstki (o innym znaku ładunku) unoszą się wyżej, a cięższe opadają. Ruch powietrza w chmurze działa jak wielki „mikser”, który cały czas miesza krople i kryształki, co prowadzi do kolejnych zderzeń i przenoszenia ładunku.
Powierzchnia ziemi pod taką chmurą zwykle przyjmuje ładunek przeciwny niż dolna część chmury. To dlatego w czasie burzy wysokie obiekty – jak drzewa, maszty, wieże kościelne czy kominy – stają się miejscami szczególnie narażonymi na uderzenie. Między chmurą a ziemią rośnie napięcie, które w skrajnych przypadkach dochodzi do kilkuset milionów woltów.
Jak z chmury „rodzi się” piorun?
Kiedy różnica potencjałów między różnymi częściami chmury lub między chmurą a ziemią staje się bardzo duża, powietrze przestaje być izolatorem. Tworzy się kanał, którym nagle przepływa ogromny prąd. To wyładowanie nazywamy piorunem, a widoczna błyskawica jest w istocie potężną iskrą elektryczną.
Wyróżniamy kilka typów wyładowań. Mogą one zachodzić:
- wewnątrz jednej chmury,
- między dwiema chmurami,
- między chmurą a powierzchnią ziemi, drzewem czy budynkiem.
Najgroźniejsze dla ludzi są oczywiście wyładowania między chmurą a ziemią. W takim piorunie płynie prąd o napięciu nawet milionów woltów, co wystarcza, by zniszczyć instalacje elektryczne, uszkodzić budynki, a także spowodować porażenie człowieka.
Obserwowany piorun to nic innego jak potężna iskra, która w ułamku sekundy rozładowuje nagromadzone w chmurze ładunki elektryczne.
Co łączy pioruny z elektryzowaniem się przedmiotów?
Iskra, którą widzisz przy zdejmowaniu wełnianego swetra, jest zjawiskiem tego samego typu, co błyskawica – różni się tylko skalą. W obu przypadkach dochodzi do przeskoku ładunku między dwoma różnie naładowanymi ciałami. W swetrze jest to zwykle kilka tysięcy woltów, w chmurze burzowej nawet setki milionów woltów.
Gdy pocierasz suchy sweter o ciało albo włosy o szczotkę, ładunki elektryczne „przenoszą się” z jednego materiału na drugi. Jedno ciało staje się naładowane dodatnio, drugie ujemnie. Między nimi powstaje różnica potencjałów. Jeśli jest wystarczająco duża, powietrze między tymi ciałami jonizuje się, a ładunek przeskakuje w postaci małej iskry. W chmurze dzieje się to samo, tylko w dużo większej objętości i przy znacznie wyższych napięciach.
Jak naelektryzować przedmioty?
Prosty eksperyment z bursztynem lub plastikową linijką dobrze pokazuje, na czym polega elektryzowanie ciał. Już w starożytności zauważono, że potarty bursztyn przyciąga lekkie przedmioty. Opisał to Tales z Miletu, grecki filozof żyjący około VI wieku p.n.e. To od greckiego słowa „elektron” (bursztyn) pochodzi nazwa „elektryczność”.
Do doświadczenia wystarczy kartka papieru, bursztyn albo linijka i kawałek tkaniny. Początkowo nic się nie dzieje, ale po energicznym pocieraniu bursztyn przyciąga drobne kawałki papieru. W ten sposób pokazujesz, że na jego powierzchni pojawił się ładunek elektrostatyczny. Ładunek ten nie płynie jak w przewodzie, tylko „siedzi” w jednym miejscu i oddziałuje na inne, lekkie przedmioty.
Jak ładunek wpływa na wodę?
Ładunki elektryczne możesz zaobserwować też na wodzie. Wystarczą dwa balony, wełniana tkanina i kran. Jeden balon energicznie pocierasz wełną, drugi zostawiasz niepotarty. Następnie odkręcasz cienki strumień wody i zbliżasz do niego raz balon naelektryzowany, raz zwykły.
Naelektryzowany balon wyraźnie przyciąga strumień wody. Dzieje się tak, bo na jego powierzchni zgromadzony jest ładunek elektryczny, który oddziałuje z cząsteczkami wody. To ten sam typ zjawiska, który zachodzi w chmurze burzowej, tylko w małej skali i w warunkach domowych.
Pocierając o siebie dwa ciała, możesz wytworzyć na ich powierzchni ładunki elektrostatyczne – dokładnie takie same, jakie gromadzą się w chmurach burzowych przed uderzeniem pioruna.
Jak bezpiecznie zachować się podczas burzy?
Piorun niesie ogromną energię, dlatego nie wolno go lekceważyć. Wyładowanie atmosferyczne to przepływ prądu o napięciu sięgającym kilkuset milionów woltów. Może zniszczyć instalacje elektryczne, uszkodzić budynki, wywołać pożary, a przede wszystkim zagrozić życiu człowieka.
Instytucje takie jak Rządowe Centrum Bezpieczeństwa i IMGW publikują konkretne wytyczne, jak zachowywać się w czasie burzy. Sprawdzają się one zarówno w mieście, jak i w górach czy nad wodą. Wiele z tych wskazówek wynika z faktu, że piorun dąży do najkrótszej drogi między chmurą a ziemią oraz „lubi” dobre przewodniki prądu, takie jak metal czy woda.
Jak zachować się podczas burzy w domu?
Dom jest zwykle najbezpieczniejszym miejscem w czasie burzy, o ile zachowasz kilka prostych zasad. Gdy słyszysz grzmoty i widzisz błyskawice, najlepiej już zostać w budynku. Warto zadbać nie tylko o siebie, ale też o sprzęty elektryczne, które są narażone na skoki napięcia.
Podstawowe zalecenia, gdy burza zastaje cię w domu, są takie:
- zamknij okna i drzwi, by ograniczyć przeciągi i gwałtowne podmuchy wiatru,
- wyłącz z gniazdek urządzenia elektryczne i elektroniczne (komputery, telewizory, ładowarki),
- nie dotykaj instalacji wodociągowej i metalowych elementów połączonych z uziemieniem,
- jeśli to możliwe, odłącz anteny i inne długie przewody od sprzętu RTV.
W budynkach wyposażonych w piorunochron prąd z wyładowania powinien być bezpiecznie odprowadzony do ziemi. System uziemienia musi mieć wyrównany potencjał, bo to różnica potencjałów powoduje przepływ prądu i groźne napięcia dotykowe. Dlatego w projektowaniu instalacji elektrycznych tak duży nacisk kładzie się na poprawne uziemienie i połączenia wyrównawcze.
Jak zachować się na dworze?
Najwięcej wypadków porażenia piorunem zdarza się na otwartej przestrzeni. Gdy niebo ciemnieje, a grzmoty są coraz bliżej, trzeba jak najszybciej ograniczyć ryzyko. Nie zawsze możesz schować się w budynku, ale nadal masz wpływ na to, jak się ustawisz względem otoczenia.
Specjaliści z Rządowego Centrum Bezpieczeństwa zalecają na dworze następujące działania:
- unikaj otwartych przestrzeni, gdzie sam stajesz się najwyższym punktem terenu,
- nie stój pod drzewami ani przy wysokich słupach i masztach,
- jeśli jesteś na otwartym terenie, znajdź obniżenie (np. rów przydrożny) i kucnij ze złączonymi nogami, nie siadaj i nie kładź się,
- odejdź od wody, jeśli pływasz lub jesteś na łodzi, i oddal się od brzegu, bo woda jest świetnym przewodnikiem prądu.
Nogi powinny być złączone, bo w razie uderzenia pioruna w pobliżu może pojawić się tzw. napięcie krokowe. To różnica napięcia między dwoma punktami na ziemi oddalonymi o długość kroku. Gdy stoisz szeroko, prąd może popłynąć przez twoje ciało z jednej stopy do drugiej. Złączone nogi i kucanie ograniczają to ryzyko.
Jak zachować się w grupie i przy metalowych przedmiotach?
Burza często zaskakuje ludzi na wycieczkach, spacerach czy biwakach. W grupie łatwo o chaos, a to sprzyja niebezpiecznym decyzjom, jak na przykład schowanie się całą paczką pod jednym drzewem. Tymczasem fizyka mówi coś innego: im mniej osób w jednym punkcie, tym mniejsze ryzyko, że wszyscy zostaną porażeni jednocześnie.
Gdy jesteś w grupie na otwartej przestrzeni, dobrze jest się rozproszyć na odległość kilkudziesięciu metrów. W razie uderzenia pioruna tylko część osób znajdzie się w strefie oddziaływania, a pozostali będą mogli wezwać pomoc. Staraj się też unikać dotykania metalowych ogrodzeń, barierek, masztów czy rowerów. Metal może „ściągać” wyładowanie, ponieważ jest dobrym przewodnikiem prądu.
Jeżeli czujesz, że włosy stają ci dęba, a w powietrzu jakby „trzeszczy” – natychmiast przykucnij, złącz nogi i zminimalizuj kontakt z podłożem.
Jak działają piorunochrony i napięcie krokowe?
Na wielu budynkach możesz zauważyć metalowe pręty wystające ponad dach, połączone przewodami z uziemieniem. To piorunochrony, które mają przejąć uderzenie pioruna i bezpiecznie odprowadzić prąd w głąb ziemi. Pręt jest najwyższym spiczastym elementem budynku, więc to on stanowi preferencyjną drogę dla wyładowania.
Gdy piorun trafia w piorunochron, prąd płynie przewodami do uziomu w gruncie. Wokół miejsca, gdzie prąd wchodzi do ziemi, tworzy się tzw. lej potencjału – obszar o podwyższonym napięciu względem odległych punktów. Jeśli w tym obszarze znajdzie się człowiek, między jego stopami może pojawić się napięcie krokowe, a przez ciało popłynie niebezpieczny prąd.
Im lepsza przewodność gruntu, tym bardziej „spłaszczony” jest lej potencjału i mniejsze są różnice napięć na powierzchni. Dlatego projektując instalacje odgromowe, inżynierowie dbają o dobre uziemienie i wyrównanie potencjałów w całym budynku. Chodzi o to, by wszystkie metalowe elementy, do których możesz sięgnąć ręką, miały zbliżony potencjał – wtedy między nimi nie pojawi się duża różnica napięć i nie dojdzie do groźnego przeskoku prądu.
Jeśli na zewnątrz zauważysz zwisające przewody elektryczne po burzy, nie zbliżaj się do nich. Nie widać po samym kablu, czy jest pod napięciem. W takich sytuacjach trzeba jak najszybciej zawiadomić odpowiednie służby i poczekać na zabezpieczenie miejsca zdarzenia.
