Piorun – powstawanie i charakterystyka

Piorun – w meteorologii bardzo silne wyładowanie elektryczne w atmosferze, które powstaje naturalnie i zwykle towarzyszy burzom. Piorunowi towarzyszy zjawisko zwane błyskawicą (jasny błysk światła) oraz grzmot (głośny dźwięk). Pioruny mogą przybierać najrozmaitsze kształty. Podczas uderzenia pioruna wyzwala się potężna energia, która zostaje rozproszona w postaci ciepła w powietrzu. Energia cieplna rozprzestrzenia się, a jej część przekształca się w błysk i grzmot.

Jak powstaje piorun?
Pioruny w przyrodzie powstają w wyniku nagromadzenia się ładunków elektrycznych w chmurach burzowych. W pierwszej fazie następuje gromadzenie się ładunków w dolnej części chmury na skutek zderzeń kryształków lodu, kropelek wody i bryłek gradu znajdujących się wewnątrz chmury. Te cząstki przemieszczają się, zderzają, a rozpadając się na mniejsze, wytwarzają ładunki elektryczne. Cząstki spadające zyskują ładunek ujemny, zaś unoszące się – ładunek dodatni. W związku z tym ładunki ujemne gromadzą się w dolnej części chmury, a dodatnie – w górnej.

Zgodnie z zasadami fizyki, różnica potencjałów między dolną częścią chmury a Ziemią powoduje powstanie silnego pola elektrycznego. Gdy różnica potencjałów osiągnie odpowiednio wysoką wartość, następuje jonizacja powietrza, co umożliwia przepływ ładunków. Elektrony (ładunki ujemne) przemieszczają się w kierunku Ziemi, tworząc przy tym tzw. lider schodzący (wyładowanie pilotujące). Lider porusza się w dół z prędkością około 200 000 km/h, przebywając odcinki kilkudziesięciu metrów i zatrzymując się na ułamki sekundy.

Gdy lider schodzący zbliża się do Ziemi, z powierzchni ziemi w kierunku lidera wznoszą się wyładowania wstępujące. Kiedy oba wyładowania się spotkają, powstaje kanał przewodzący, przez który przepływa prąd o dużym natężeniu – to jest główne wyładowanie, które widzimy jako błysk pioruna. Prąd płynący w błyskawicy może osiągać natężenie rzędu 30 000 amperów, a temperatura w kanale wyładowania sięga 30 000°C. To powoduje gwałtowne rozprężenie powietrza i powstanie fali uderzeniowej, którą odbieramy jako grzmot.

Wyładowania do jonosfery
Pierwsze wzmianki o wyładowaniach z chmury burzowej do góry pojawiły się w roku 1886, ale potwierdzenie znalazły stosunkowo niedawno. Wyładowania do jonosfery, zwane duszkami atmosferycznymi (ang. *sprites*), pojawiają się tylko w chmurach wznoszących się wysoko do góry. Mają one zwykle kolor czerwono-pomarańczowy i trwają dłużej niż zwykły piorun – są widoczne przez około 17 milisekund. Ich 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.

Jak daleko jest burza?
Można określić, w jakiej odległości znajduje się burza z piorunami, mierząc czas między błyskiem a grzmotem. Każde trzy sekundy to dystans około 1 kilometra. Zatem jeśli między błyskiem a grzmotem upłynęło 6 sekund, burza znajduje się w odległości około 2 km.

Badania nad piorunami
Tajemnicę błyskawic rozwikłał amerykański uczony i polityk Benjamin Franklin (1706–1790), który udowodnił, iż jest to wyładowanie elektryczne. W lipcu 1752 roku wypuścił w kierunku chmury burzowej latawiec wykonany z jedwabnych chusteczek. Do końca jego linki przymocował metalowy klucz, a gdy przybliżał do niego rękę, między nią a kluczem przeskakiwała iskra elektryczna.

W roku 1753 rosyjski uczony Gieorgij Richmann stracił życie, próbując powtórzyć eksperyment Franklina. Kiedy z przerażającym hukiem błyskawica dosięga ziemi, stapia wszystko, co tylko znajduje się obok. Temperatura w miejscu uderzenia sięga 30 000 stopni Celsjusza.

Statystyki dotyczące burz i piorunów
W każdym momencie nad światem szaleje około 2000 burz, między którymi istnieją związki powodujące, że jeśli jedna burza cichnie, to druga rodzi się w odległości około 1500 km. Co minutę Ziemię trafia około 6000 piorunów, a każdego dnia w Ziemię uderza do 8 milionów piorunów. Oznacza to, że co sekundę Ziemię trafia około 100 piorunów.