Człowiek od zarania dziejów musi mierzyć się z naturą. Przyroda pełna jest bowiem zjawisk, które z jednej strony zachwycają swym pięknem, a z drugiej budzą lęk i obawy. Takimi z pewnością są burze i powstające podczas nich błyskawice.
Pioruny od wieków były atrybutem boskości. Gromowładny Zeus, największy bóg starożytnej Grecji, władca nieba, światła i piorunów, kierował siłami przyrody i porządkiem całego świata. Podobnie panem wszystkich zjawisk niebieskich, którego atrybutem również była błyskawica, był rzymski Jowisz. Nie inaczej było wśród plemion słowiańskich. Bóstwem naczelnym uznano Peruna – boga wojny, niebios i piorunów. We wszystkich tych kulturach grom stanowił wyraz złej lub dobrej woli bogów.
Dziś pioruny są nie mniej tajemnicze i fascynujące. Stanowią nie lada wyzwanie dla naukowców: fizyków, chemików, meteorologów. To oni starają się dokładnie określić, jak błyskawice powstają, i przewidywać, gdzie uderzą. A jest co przewidywać – w każdej minucie na całej Ziemi trwa blisko 2000 burz, które wywołują w sumie 6000 wyładowań atmosferycznych.
Zarówno burze jak i same błyskawice są wynikiem mało skomplikowanego zjawiska - obiegu wody w przyrodzie. Szczególne znaczenie mają tu procesy parowania i kondensacji. Warunkiem powstania chmur burzowych jest nagrzanie się powietrza nad samą ziemią. Bezpośrednią przyczyną burz są natomiast różnice temperatur powietrza, znajdującego się nad ziemią i tego w górnych partiach troposfery (tu temperatury sięgają nawet -60°C). Różnice te są znaczne zwłaszcza latem, wtedy też burze zdarzają się najczęściej. Gdy wilgotne i ciepłe powietrze wędruje w stronę atmosfery, skutkuje to jego kondensacją – w chmurach pojawiają się krople wody i kryształy lodu. To właśnie one wraz ze zmianami temperatur odpowiadają za pojawiające się na niebie błyski i towarzyszące im grzmoty piorunów.
Powszechnie wiadomo, że piorun jest bardzo intensywnym wyładowaniem atmosferycznym. Jest przepływem energii elektrycznej pomiędzy dwoma ciałami: chmurami a powierzchnią Ziemi. Błyskawice pojawiają się jednak w różnych okolicznościach. Oprócz burz obserwowano je także podczas erupcji wulkanów, niezwykle intensywnych pożarów lasów, gwałtownych burz śnieżnych, wewnątrz huraganów czy nawet powierzchniowych detonacji ładunków nuklearnych.
Jak powstaje piorun
Aby piorun mógł zaistnieć, muszą pojawić się elementy naładowane przeciwnymi ładunkami. W okolicy i w samym wnętrzu chmur burzowych są nimi różnej wielkości kryształy lodu i krople wody, które poruszając się i zderzając ze sobą nadają chmurze odpowiedni ładunek. Mniejsze, dodatnio naładowane cząstki unoszą się ku górze chmury, a większe naładowane ujemnie zbierają się na jej dole. W chwili, gdy zgromadzony ładunek jest wystarczająco duży, przeciwstawne cząsteczki przyciągają się i wyładowują swoją energię właśnie w postaci piorunów. Takie „transfery energii” pojawiają się wewnątrz chmur lub pomiędzy nimi. Natomiast skutkiem różnicy potencjałów, jaka wytwarza się między chmurami a ziemią, są błyskawice, które zazwyczaj spotykamy.
Przy odpowiednio dużym potencjale elektrycznym chmury ładunki ujemne w niej zgromadzone szukają najkrótszej drogi do pozytywnie naładowanej powierzchni ziemi. Napięcie dąży do dobrego przewodnika elektryczności lub wysokiego obiektu.
Ładunek negatywny wysyła tzw. wyładowanie wstępne lub, inaczej, pilotujące, które jest serią niewidocznych skoków naładowanych cząstek. Pokonują one odległość do ziemi w czasie kilkunastu lub kilkudziesięciu milisekund z prędkością 30 000 km/s. W tym czasie dochodzi do jonizacji powietrza, która zmniejsza opór elektryczny – powstaje zjonizowany kanał, umożliwiający przepływ zdecydowanie większej ilości ładunku. Tym właśnie kanałem (ma on zazwyczaj mniej niż 5 cm średnicy i długość od kilku do kilkunastu km) od chmury wybiega wyładowanie wstępne, które, zbliżając się do gruntu, porywa ładunki dodatnie. Te zaś zaczynają bieg w górę tym samym zjonizowanym kanałem, przenosząc do chmury prądy dodatnie. Jest to tzw. udar powrotny. Cała operacja jest powtarzana kilkakrotnie w ułamkach sekundy, wtedy też widzimy najjaśniejsze błyski. Świecenie jest wynikiem rozgrzania się powietrza wokół kanału do niewyobrażalnej temperatury 30 000 °C – pięciokrotnie wyższej niż temperatura powierzchni Słońca. Tak gwałtowny wzrost temperatury powoduje rozprężanie się powietrza szybciej niż prędkość dźwięku, co wytwarza falę uderzeniową i falę dźwiękową, które słyszymy jako grzmot. Natężenie prądu błyskawicy wynosi ok. 40 kA, ale zdarzają się jednak wyładowania nawet 50 kA. Natomiast napięcie zależy od długości „iskry” i wynosi ok. 3 mln Volt na metr. Magia tego zjawiska kończy się, gdy ładunki w chmurze zostaną zobojętnione czyli zneutralizowane. Zazwyczaj trwa to mniej niż sekundę.
Grom z jasnego nieba
Często mówimy, że coś zjawia się jak grom z jasnego nieba. Właśnie takie są pioruny – całkowicie nieprzewidywalne. Możemy, co prawda, określić stosunkowo dokładnie położenie burz i sztormów, jednak same pioruny zanim uderzą są dla nas tajemnicą. Uderzyć mogą nawet w odległości 20 km od chmury. Błyskawice zmierzają bowiem do ziemi najkrótszą, a zarazem najlepiej przewodzącą drogą. Celem jest dodatnio naładowana powierzchnia, najlepiej punkt wyżej usytuowany. Może nim być antena, samotne drzewo, a także człowiek. Narażonym na porażenie jest więc każdy, kto podczas burzy przebywa na otwartej przestrzeni.
Najmniej właściwym miejscem do schowania się przed burzą są samotne drzewa. Gdy są wysokie, zwiększają jeszcze ryzyko uderzenia, a człowiek, przewodząc napięcie lepiej niż drewno, z pewnością zostanie porażony. Aż 1/3 ofiar piorunów szukała schronienia właśnie pod drzewem. Możemy zostać uderzeni bezpośrednio, ale także w sposób pośredni, np. gdy trzymamy się metalowych balustrad. Wystarczy nawet bliska odległość od uderzonego miejsca - prąd wyładowania po trafieniu w ziemię rozchodzi się bowiem we wszystkie strony. Towarzyszy temu efekt napięcia krokowego – w różnych miejscach natężenie prądu ma różną wartość. Gdy stoimy w pobliżu miejsca trafionego przez błyskawicę przepłynie przez nas prąd równy różnicy potencjałów między naszymi stopami. W rezultacie im szerzej rozstawimy nogi, tym mocniej zostaniemy porażeni.
Śmierć porażonej osoby jest najczęściej wynikiem paraliżu mięśnia sercowego – zakłóceń rytmu jego pracy lub całkowitego zatrzymania akcji serca. Po przepływie dużego napięcia przez nasz organizm zachwiane jest działanie układu nerwowego, dochodzi do skurczów mięśni, zaburzeń wzroku i słuchu, bezdechu i utraty przytomności. Czasu na przywrócenie poprawnej akcji serca i oddechu jest mało – każda minuta bez udzielenia pierwszej pomocy zmniejsza szanse na przeżycie. Zdarzają się mimo wszystko przypadki, że trafiona przez piorun osoba wychodzi z tego bez szwanku. Wszystko jednak zależy od właściwości prądu, jaki niesie błyskawica.
Podziwiając piękno burz, tak obficie pojawiających się latem, musimy więc pamiętać o tym, jak niebezpieczne jest to zjawisko. Wydawałoby się, że nie można przeżyć uderzenia pioruna (zwłaszcza gdy ma się świadomość, że całkowita energia, jaką niesie duża burza, może równać się energii bomby atomowej), ale z reguły przeżywa je ponad 75% osób rażonych piorunem. Nikt z pewnością nie chciałby jednak znaleźć się w pozostałych 25%. Czasami lepiej pozostać w domu, nie narażając się na niebezpieczeństwo.
Przemysław Goławski
