Błyskawice badano od wieków, ale wciąż jest wiele niejasnych w ich naturze. Jak powstaje wyładowanie w chmurze, czym jest piorun kulisty, dlaczego podczas burzy emitowane są kwanty gamma - na te pytania nie ma jeszcze odpowiedzi. RIA Novosti opowiada o najbardziej aktualnych badaniach w dziedzinie elektryczności atmosferycznej.
„Piorun to wyładowanie elektryczne, które przemieszcza się w atmosferze wzdłuż cienkiego kanału gorącej plazmy - lidera - z chmury na ziemię, między chmurami lub wznosząc się z wysokich budynków” - mówi dr Aleksander Kostinsky z fizyki i matematyki, zastępca dyrektora MIEM im. RIA Novosti. … A. N. Tichonowa, uczestniczka międzynarodowego projektu „Błyskawice i ich manifestacje”, wspieranego przez Ministerstwo Edukacji i Nauki oraz Rosyjską Fundację Nauki.
Do wystąpienia błyskawicy potrzebna jest chmura. Wznosząc się, rozszerza się, chłodzi, powstają w nim małe krople wody, płatki śniegu, grad i wiele innych cząstek o różnych rozmiarach, zwanych hydrometeorami. W rzeczywistości wewnątrz chmury tworzy się aerozol, którego cząsteczki ocierają się o siebie i nabierają ładunków o różnych znakach.
Po kondensacji wilgoci chmura nieco się nagrzewa i unosi się wyżej, zasysając otaczające powietrze. Dlatego burzom towarzyszą wzmożone wiatry. Wewnątrz chmury dodawane są warstwy dodatnio i ujemnie naładowanych cząstek, pada deszcz, rozpoczynają się wyładowania wewnątrz chmury, część z nich dociera do ziemi.
Skrzat pojawia się w górnej atmosferze po silnym wyładowaniu pioruna w ziemię.
Kanał piorunowy przewodzi silny prąd elektryczny dzięki plazmie - wysoko zjonizowanemu gazowi. Zdjęcia z szybkich kamer pokazują, jak lider błyskawic rozgałęzia się, gdy się porusza. Gdy zbliża się do ziemi, z wysokich punktów - drapaczy chmur, wież telewizyjnych - rosnący przywódcy pędzą w jego stronę. Potężny prąd przepływa przez podłączony kanał z prędkością tylko kilkakrotnie mniejszą niż prędkość światła. To jest ten błysk, który widzimy po uderzeniu pioruna.
„Piorun obserwujemy, gdy jest duży, energiczny, podpala, zabija zwierzęta, wyłącza sprzęt. Jednak moment jego powstania w chmurze pozostaje od stu lat jedną z głównych tajemnic naukowych”- kontynuuje naukowiec.
Istnieje wiele hipotez na ten temat, które są bardzo złożone i nie wyjaśniają wszystkich obserwowanych zjawisk. Zmierzone: aby przebić się przez zaledwie jeden centymetr powietrza, potrzebne jest napięcie trzydziestu tysięcy woltów. Oznacza to, że w chmurze muszą występować bardzo silne pola elektryczne, ale pomiary dają kilkakrotnie mniejsze wartości.
Film promocyjny:
„W każdej sekundzie około stu piorunów uderza w ziemię i nikt nie wie, jak powstały. Ponadto pomiary fizyczne pokazują, że nie powinny one tworzyć się w chmurach”- zauważa Kostinsky.
Zdjęcia poklatkowe uderzeń pioruna.
Piorun kulisty
Osobną zagadką jest błyskawica kulowa. Znane są tysiące dowodów na to z różnych epok historycznych, naukowcy nawet eksperymentalnie uzyskali w laboratorium „kuliste formacje plazmy”, ale nie jest możliwe udowodnienie, że jest to badane zjawisko naturalne. Głównym pytaniem (poza zarodkowaniem) jest to, dlaczego naładowany skrzep plazmy istnieje w atmosferze przez tak długi czas - sekundy i minuty. Teoretycznie, bez zewnętrznego zasilania, powinno ostygnąć w tysięcznych części sekundy, tracąc przewodność.
Niektórzy badacze zakładali, że błyskawica kulowa jest efektem optycznym, ale kilka lat temu chińscy naukowcy sfilmowali za pomocą szybkiej kamery ze spektrometrem optycznym poświatę kuli podczas uderzenia pioruna, która trwała prawie sekundę. To niewiele wyjaśniało naturę zjawiska, ale potwierdziło jego rzeczywistość.
Więcej tajemnic
W 1989 roku dzięki satelitom odkryto zupełnie nowy rodzaj elektryczności atmosferycznej - duszki. Powstają na wysokości 70-85 kilometrów w polu elektrycznym, które tworzy się po silnym uderzeniu pioruna w ziemię, gdy dolna część chmury zostaje rozładowana. Z kosmosu widzieliśmy niebieskie i gigantyczne dysze - wyładowania elektryczne o dużej długości. Powstają na szczytach burzowych chmur i osiągają wysokość 90 kilometrów.
Jet - wyładowanie przechodzące z chmury na wysokość do 90 kilometrów. Obserwatorium Mauna Kea, Hawaje.
W 1991 roku amerykańskie satelity zarejestrowały podczas burz rozbłyski gamma, czyli twarde promieniowanie rentgenowskie. Dane te zostały natychmiast sklasyfikowane, decydując, że gdzieś przeprowadzane są naziemne testy jądrowe. Trzy lata później, po upewnieniu się, że źródłem promieniowania były burze, opublikowano wyniki obserwacji.
„Takie kwanty energii rzadko docierają na Ziemię, nawet z rozbłysków słonecznych. Okazuje się, że chmura działa jak akcelerator cząstek elementarnych, czyli elektronów i być może pozytonów. Ten obszar nazywa się fizyką wysokich energii atmosfery”- mówi Alexander Kostinsky.
XXI wieku okazało się, że wewnątrz chmury na wysokości około dziesięciu kilometrów powstają źródła emisji radiowej, które są znacznie silniejsze niż te towarzyszące piorunom. Trwają tylko przez kilka mikrosekund. Nazywano je kompaktowymi wyładowaniami wewnątrz chmury. Nie ma jeszcze ogólnie przyjętej teorii ich wyglądu.
Zainteresowanie wyładowaniami elektrycznymi w atmosferze innych planet Układu Słonecznego nie słabnie. Uzyskano obrazy burz na Jowiszu i Saturnie, obserwacje w zakresie radiowym wykazały wyładowania na Uranie i Neptunie. Pytanie z Wenus jest nadal otwarte. Ale na Marsie i Tytanie nie ma burzy.
Według Kostinsky'ego nauka o piorunach przeżywa teraz prawdziwy rozkwit. W końcu burze i błyskawice to bardzo niebezpieczne, niszczycielskie zjawiska naturalne. Ponadto naukowcy stają przed praktycznymi zadaniami - aby chronić ludzi i zwierzęta przed wyładowaniami atmosferycznymi, konstrukcjami, wiatrakami, samolotami.
Wyładowania atmosferyczne w atmosferze po nocnej stronie Jowisza. Galileo Orbiter, 1998.
Tatiana Pichugina