Przewodność elektryczna atmosfery

Burzą określamy zespół zjawisk atmosferycznych rozwijających się dzięki silnej konwekcji we wnętrzu chmury burzowej (Cumulonimbus), której towarzyszą silne porywiste wiatry, intensywne opady deszczu i wreszcie to, co stanowi jej kwintesencję – wyładowania elektryczne.

Ziemska atmosfera ma zdolność przewodzenia prądu. Dzieje się tak na skutek ruchu ładunku między powierzchnią Ziemi, atmosferą i jonosferą, który jest znany jako globalny obwód elektryczny atmosfery. Zjawiska elektryczne w atmosferze są bezpośrednio związane z jonizacją powietrza, tj. obecnością jonów – atomów (lub grup atomów) obdarzonych ładunkiem elektrycznym (naładowanych dodatnio lub ujemnie). Ilość jonów, a zatem i przewodność elektryczna atmosfery, zmienia się wraz z wysokością n.p.m. Przewodnictwo w jonosferze można by porównać do przewodnictwa wody, z kolei na wysokości 100 km do przewodnictwa metali. Różnica w przewodnictwie atmosfery między powierzchnią Ziemi a jej górnymi warstwami jest jak 1 do 3 000 000 000.

Jonizacja atmosfery powoduje ruch elektrycznie naładowanych cząsteczek (przewodzenie prądu między jonosferą a powierzchnią Ziemi, która przyjmuje część ładunków elektrycznych). Spowodowane w ten sposób straty uzupełniane są przez chmury burzowe.

R1agXBYH2wpAJ

Ilustracja przedstawia obieg ładunków elektrycznych między powierzchnią Ziemi a Jonosferą. Dolną część obrazka zajmuje fragment kuli ziemskiej, schematycznie przedstawiony w niebiesko‑zielonym kolorze, gdzie granica planety rozciąga się łukiem od lewego do prawego rogu. Następnie, ponad Ziemią, zaznaczony jest pas atmosfery. Jego powierzchnia stanowi większość ilustracji, ma kolor biały i przybiera kształt wycinku okręgu otaczającego planetę. Ponad tym pasem, na pozostałej powierzchni ilustracji, błękitnym kolorem oznaczono Jonosferę. Jony dodatnie oznaczono na zielono symbolem plusa w małym kółku, a ujemne symbolem minusa w kółku niebieskim. Kierunek ich poruszania się zaznaczono strzałką, może być skierowana w dół lub w górę. Napięcie elektryczne między powierzchnią Ziemi a Jonosferą wynosi trzysta tysięcy woltów, opisywane zjawiska występują w strefie mającej od pięćdziesięciu do osiemdziesięciu kilometrów wysokości. Wartości te zaprezentowano na dwóch pionowych strzałkach w białym pasie atmosfery. Na środku białego pasa atmosfery, nad powierzchnią planety, umieszczono chmurę burzową. Po jej lewej stronie widoczne są wyładowania i opady, po prawej powyższe zjawiska nie występują. Wybrano taki sposób przedstawienia chmury, ponieważ ilustracja przedstawia dwie sytuacje – obieg ładunków w trakcie wyładowań atmosferycznych i w trakcie tworzenia się chmury burzowej. W obu przypadkach powierzchnia Ziemi naładowana jest ujemnie, a górne warstwy atmosfery dodatnio. Dolna część chmury burzowej kumuluje cząsteczki naładowane ujemnie (które następnie oddaje w dolnych partiach atmosfery), górna zawiera cząstki o dodatnim ładunku (wznoszące się następnie w kierunku Jonosfery). W trakcie powstawania, chmura burzowa pochłania dodatnio naładowane ładunki znajdujące się nad powierzchnią Ziemi, a w trakcie burzy, na skutek wyładowań atmosferycznych, cząsteczki te są oddawane.

Jak powstaje chmura burzowa?

Chmura burzowa Cumulonimbus jest specyficznym rodzajem chmury, gdyż nie jest zaliczana do żadnego piętra (chmur niskich, średnich, wysokich). Swój początek bierze w piętrze niskim, a następnie dzięki silnej konwekcji wkracza w obszar piętra średniego i wysokiego. Dlaczego jednak podczas wielu gorących, letnich dni, tylko czasami warunki sprzyjają powstawaniu burzy?

RfNzG1BekD2bM

Na zdjęciu znajduje się niebo z chmurami. Niżej położone chmury są małe, białe, kłębiaste, nieco wyżej jest spora kłębiasta chmura, a jeszcze wyżej chmura z kształcie kowadła lub grzyba o płaskim kapeluszu.

Jak pamiętasz, unoszenie się ciepłych mas powietrza nosi nazwę konwekcji. W ciepły, letni dzień, powietrze silnie nagrzewa się od gorącego podłoża. Drobiny gazów poruszają się szybciej, zwiększają objętość tej samej masy powietrza, przez co zmienia się jej gęstość – powietrze staje się lżejsze i unosi się w postaci bąbli ciepłego powietrza (ryc. 2).

RLZS0RgIn5Jt8

Na ilustracji na osi pionowej zaznaczono podziałką wysokość w metrach. Na wykresie pokazano etapy konwekcji termicznej. Najpierw nieduża kolumna powietrza o podstawie 400 merów i wysokości 200 metrów. Wewnątrz kolumny zaznaczono niebieskie strzałki wznoszące się. Po boku kolumny od prawej strony czarna strzałka prowadzi w górę, a po lewej ścianie w dół. W drugiej fazie kolumna ma szerokość podstawy mniejszą niż poprzednio, ale wysokość dwukrotnie większą, czyli 400 metrów. Kolumna kształtem przypomina teraz polip, w większą główką i węższym pniem. Wewnątrz kolumny niebieskie strzałki skierowane są w górę. czarne strzałki po bokach kolumny prowadzą w dół. W kolejnej fazie dochodzi do oddzielenia góry kolumny od części dolnej, która wznosi się na wysokości 400 - 600 metrów. Wewnątrz tego obszaru niebieskie strzałki prowadzą ku górze, ale niektóre skręcają na boki. Czarne strzałki po bokach tego pola opadają w dół. Dolna część kolumny pozostała przy powierzchni.

Nie zawsze jednak, pomimo gorącego dnia, warunki sprzyjają powstawaniu konwekcji. Przyjrzyj się różnym sytuacjom zamieszczonym na ryc. 3. We wszystkich przypadkach mocno rozgrzana od powierzchni masa powietrza unosi się. W dwóch pierwszych przypadkach mamy do czynienia z niewielkim pionowym gradientem temperaturypionowy gradient temperaturypionowym gradientem temperatury (czyli tempem jej spadku wraz z wysokością). Rozgrzane powietrze uniesie się w takiej sytuacji do pewnej wysokości, na której zrówna się z temperaturą otoczenia. W tym momencie unoszenie tej masy powietrza (konwekcja) zakończy się. Inaczej będzie wyglądała sytuacja na rysunkach po prawej stronie. Tutaj tempo spadku temperatury wraz z wysokością jest znacznie większe, dzięki czemu ochładzające się powietrze będzie cały czas cieplejsze od otoczenia (na każdej wysokości), w ten sposób konwekcja będzie zachodzić do znacznie wyższych wysokości.

R1BpmYpCkWFNg

Ilustracja składa się z czterech obrazków. Po bokach jest podziałka z zaznaczeniem wysokości w metrach, odnosząca się do wszystkich obrazków. Każda z grafik ma też swoją podziałkę temperatury. Pierwsze dwa obrazki opisane są jako niewielki pionowy gradient temperatury. Na pierwszej ilustracji powietrze wilgotne, zmiana temperatury o pół stopnia Celsjusza na 100 metrów. Na drugim powietrze suche, zmiana temperatury o jeden stopień Celsjusza na 100 metrów. Rozgrzane powietrze unosi się na obu grafikach do pewnej wysokości, na której zrównuje się z temperaturą otoczenia i w tym momencie zaczyna opadać. Dwa kolejne obrazki opisane są jako duży pionowy gradient temperatury. Na jednym z obrazków powietrze wilgotne, zmiana temperatury o pół stopnia Celsjusza na 100 metrów. Na ostatnim obrazku - powietrze suche, zmiana temperatury o 1 stopień na sto metrów. Na tych dwóch obrazkach tempo spadku temperatury wraz z wysokością jest większe, ochładzające się powietrze cały czas jest cieplejsze od otoczenia, przez co konwekcja zachodzić do znacznie wyższych wysokości.

Z powyższych rysunków wynika, że nawet najbardziej dynamiczna konwekcjakonwekcjakonwekcja (sytuacja o dużym gradiencie temperatury i wilgotnej masie wznoszącego powietrza) w pewnym momencie ustanie. Nim to się jednak wydarzy, na skutek rosnącej wraz z wysokością wilgotności, zgromadzona para wodna zacznie kondensowaćkondensacja pary wodnejkondensować, tzn. przejdzie ze stanu gazowego do cieczy. Przypomnij sobie sytuację, kiedy u wylotu czajnika (podczas gotowania wody) zaczyna się gromadzić chmura skroplonej pary wodnej (czyli niewielkich rozmiarów kropel). Co się stanie, jeżeli włożysz rękę w taką chmurę? Oczywiście poparzysz się. Inaczej wygląda sytuacja, kiedy włożysz rękę do piekarnika – tam, pomimo wyższej temperatury niż temperatura wrzenia, twoja dłoń nie ulegnie poparzeniu. Podobne mechanizmy działają w chmurze – podczas przejścia ze stanu gazowego do stanu ciekłego wytwarzane jest ciepło przemiany fazowej, co umożliwia dalsze wznoszenie się masy powietrza (konwekcję). Górną granicę wznoszącego się powietrza wyznacza tzw. poziom równowagi (niekiedy przebiegający aż na wysokości górnej granicy troposfery!). Na jego poziomie powietrze traci wyporność, a chmura zaczyna rozpływać się na boki, tworząc charakterystyczne dla chmury Cumulonimbus kowadło (ryc. 4).

Wyładowania atmosferyczne

Wyładowaniami atmosferycznymi nazywamy krótkotrwałe wyładowania elektryczne zachodzące w atmosferze, w których jest zgromadzony dostatecznie duży przestrzenny ładunek elektryczny, wytwarzający silne pole elektryczne umożliwiające przebicie elektryczne ośrodka; całkowita długość kanału wyładowania atmosferycznego wynosi co najmniej kilka km. Dla powietrza suchego w warunkach normalnych pole elektryczne może lokalnie osiągać wartość (natężenie) rzędu 3 · 106 V/m (elektryczność w atmosferze ziemskiej). Głównym i najsilniejszym źródłem wyładowań atmosferycznych są chmury burzowe  Cumulonimbus. W większości chmur burzowych główny ujemny ładunek elektryczny jest zlokalizowany w podstawie chmury, a ładunek dodatni w jej wierzchołku (burza).

R1bE7hR7hGXcm

Na zdjęciu znajduje się błyskawica. Widoczna jest jedna, główna linia, druga cieńsza, odchodząca od niej mniej więcej w połowie jej długości, a także mnóstwo mniejszych, cienkich, rozgałęziających się coraz bardziej na bokach. Błyskawica ma kolor biały, a niebo od różowego na szczycie błyskawicy, przez fioletowy, aż po granatowy.

Słownik