|
Atmosferski elektricitet
Općenito
Atomi i molekule zračne smjese mogu dobiti ili izgubiti elektrone i pri tom postaju električki nabijeni, tvoreći pozitivne i negativne ione i slobodne elektrone. Nosilac električnog naboja može se udružiti s nekom molekulom, česticom prašine, elementom oblaka (meteorološki termin za kapljice kiše, snježne ili ledene kristaliće, kondenzacijske i sublimacijske jezgre), pa tako nastane nabijena čestica. Pojavom naboja atmosfera postaje električki vodljiva i dolazi do električne struje.
Sl..... Slika 1. Atmosferski slojevi klasificirani prema: A) raspodjeli temperature, B) prema brojevnoj gustoći elektrona, C) prema prevladavajućim procesima sa stanovišta aeronomije.
Proučavanje ionizirane atmosfere svodi se na dva područja, donju i gornju ioniziranu atmosferu:
· Donja ionizirana atmosfera koja obuhvaća troposferu i stratosferu (prvih 50 km Zemljine atmosfere). Tamo se ionizacija događa neprekidno, ali je slabog intenziteta, s iznimkom električnog izbijanja za grmljavinskog nevremena (ciklonalni poremećaji u troposferi). · Gornja ionizirana atmosfera, obuhvaća ionosferske slojeve i dio magnetosfere (uključuje mezosferu, termosferu i dijelom magnetosferu) u kojima dolazi do raznih fizičko-kemijskih procesa (fotodisocijacija, molekularna rekombinacija, iono- molekularni procesi i dr.).
Slika 2. (1) Grmljavinska struja (Električna struja u području grmljavinskog nevremena) (2) električni otpor u atmosferi do sloja izjednačenja (lijevo između oblaka i sloja izjednačenja, desno između tla i sloja izjednačenja) (3) struja lijepog vremena (4) ionizacija izazvana kozmičkim zračenjem (5) tlo (Zemljina površina) (6) sloj izjednačenja (donja baza elektrosfere ili ionosfere, 60-70 km)
Ionizatori
U Zemljinoj prizemnoj atmosferi do ionizacije dolazi pod učinkom radioaktivnih i neradioaktivnih ionizatora.
Radioaktivni ionizatori Radioaktivnost je sposobnost nekih tvari da se spontano raspadaju na jednostavnije elemente, oslobađajući pri tom alfa-, beta- i ili gama- zračenje. Takvi su radij, torij i aktinij, a sadrže ih gotovo sve prirodne stijene i većina prirodnih tala. Na jedan gram kamena dolazi u prosjeku oko 10-5 g torija, 10-6 g urana i oko 10-12 g radija. Oceani sadrže također radioaktivne elemente, ali u neznatnim količinama. Radioaktivni ionizatori djeluju dvojako: direktnim zračenjem iz tla i zračenjem preko plinovitih emanacija raspršenih u atmosferi. Pri tom je gama-zračenje najprodornije, pogotovo iznad eruptivnog kamenja. Plinovite emanacije (radon, toron, aktion) radioaktivnih elemenata su među-produkt njihovog raspadanja, sličan plinu, i turbulencijom se raznose u prizemnim slojevima atmosfere. Djelovanje im je ograničeno poluvremenom raspadanja: radon 3,8 dana, toron 54,6 sekunde, aktinon 3,9 sekundi. Za ionizaciju atmosfere je unatoč malim količinama u prirodnom stijenju, najvažniji radon, jer ima najdulje vrijeme raspadanja. Pri tom su najdjelotvornije alfa zrake i to u prizemnom sloju od 1-2 m nad tlom (jačina ionizacije oko 107 ionskih parova u sekundi po 1 m3). Unatoč neznatnim količinama emanacije, radioaktivni ionizatori su bitni izvori iona nad kontinentima, u prizemnom sloju 50 - 100 m nad tlom. Nad oceanima je njihov značaj neznatan.
Neradioaktivni ionizatori
· Pojava ionizacije pri rasprskavanju slatke vode (npr. vodopad, vodoskok). Kapljice se nabijaju pozitivno, a sitnije čestice u okolnom zraku (aerosoli) nabijaju se negativno. Na krestama valova na moru (npr. vjetrovni valovi kod bure) dolazi do rasprskavanja slane vode pri čemu se sitne kapljice morske vode nabijaju negativno (Lenardov efekt). · Neke tvari obasjane Sunčevim ultraljubičastim zračenjem izbacuju elektrone. Taj fotoelektrični učinak, ograničen je na prizemnu atmosferu, ovisno o rasprostiranju tvari sa svojstvom fotoelektričnog učinka. Udio fotoelektričnog učinka na ionizaciju atmosfere je malen. · Sunčevo ultraljubičasto, korpuskularno zračenje i kozmičko zračenje su moćni ionizatori u visokoj atmosferi. Kozmičke zrake prodiru kroz cijelu atmosferu pa čak i u gornji sloj Zemljine površine. Maksimalni učinak kozmičkih zraka je pri vrhu troposfere. Većinski sadržaj kozmičkih zraka su protoni, koji u procesu sekundarne ionizacije izazivaju stvaranje novih čestica visokih energija. Te čestice čine sekundarno kozmičko zračenje, koje doprinosi stvaranju iona u donjoj atmosferi (troposfera i stratosfera).
Radioaktivno zračenje s tla te primarno i sekundarno kozmičko zračenje su glavni ionizatori koji djeluju uvijek i svagdje, pri čemu glavnina radioaktivnog zračenja djeluje nad kopnom. Sunčevo ultraljubičasto zračenje djeluje kao bitan i stalni ionizator u visokoj atmosferi, jer u donju atmosferu nakon apsorpcije u višim slojevima, dospijeva tek manji dio izvornog intenziteta.
Karakteristične veličine električnog polja u atmosferi
Ionizirane čestice u zračnoj smjesi čine električno polje donje atmosfere. Veličine kojima se opisuje to polje su sljedeće: · vrsta i pokretljivost ioniziranih čestica i jakost ionizacije, · prostorni naboj · električna vodljivost, · električna struja i njene komponente, · gustoća električne struje i globalna jakost struje, · električno polje, razlika potencijala i otpor. Fizičko-kemijski i termo-dinamički procesi izazivaju promjenljivost električnog polja, i parametara, o kojima ono ovisi. Promjene imaju dijelom periodički (dnevni i godišnji hodovi) a dijelom neperiodički karakter te ovise o vremenu i prostoru. Stanje električnog polja se stoga opisuje momentalnim vrijednostima, a i srednjacima tih veličina, njihovim rasponima ili globalnim vrijednostima računski dobivenim.
Ionizirane čestice Za opis ioniziranih čestica bitan je njihov tip, veličina (definirana polumjerom r) i pokretljivost μ. Vrijedi relacija da se pokretljivost μ određuje iz:
gdje je ν brzina zanošenja nabijene čestice (m/s), a E jakost električnog polja (V/m), [μ]=m2/Vs
Tablica 1. Nazivi i pokretljivost iona (H. Israel, 1957).
Slobodni elektroni i mali ioni su pretežno negativni i zbog male mase su vrlo pokretljivi i najviše doprinose električnoj vodljivosti zraka. Srednji i veliki ioni znatno manje doprinose vodljivosti zraka, iako mogu biti značajni u nekim efektima prostornog naboja.
Jakost ionizacije je broj iona određenog predznaka, koji ionizacijom nastanu u jediničnom prostoru (1 m3) i jediničnom vremenu (1 sekunda).
Prostorni naboj ili prostorna gustoća iona Ionizacijom nastaje jednaki broj iona obaju predznaka. Međutim, nejednolikost obilježja nastalih iona, je uzrok raznolikosti djelovanja ostalih faktora na njihovu prostornu raspodjelu (npr. meteorološki parametri). Ukupan naboj u jediničnom volumenu čini prostorni naboj q, određen izrazom:
gdje je e elementarni naboj, a n broj iona u jediničnom volumenu (brojčana gustoća ili koncentracija). Prostorni naboj opada eksponencijalno s visinom. Mjerenja su dala za prostorni naboj u zraku u blizini tla vrijednost oko -3∙10-12 C m-3, a na 10 km visine oko +1,3 ∙ 10-14 C m-3.
Površinska gustoća iona U vremenski neporemećenim uvjetima na površini Zemlje prevladava negativni naboj. Površinska gustoća naboja σ može se odrediti iz izraza:
Za polje E = 130 V m-1 (srednjak za prizemnu atmosferu) vrijednost za površinsku gustoću je reda veličine -10-9 C m-2 (H. Israel, 1957). Ta je
vrijednost približno jednaka prostornom stupčastom naboju koji je također
reda veličine
Električna vodljivost Ioni u atmosferi i njihova pokretljivost čine atmosferu električki provodljivom. Tome najviše doprinose elektroni i mali oni, dok je učinak srednjih i velikih iona neznatan. Vodljivost λ je određena izrazom:
Značenja slova e, n, μ su ista kao ranije i se odnosi na vrstu iona, a + i – na predznak naboja iona. Srednja vrijednost vodljivosti u prizemnom sloju atmosfere je oko 2,5∙10-14 Ω-1 m-1. To je neznatna vodljivost u usporedbi s metalima, ali nije zanemariva u odnosu na vodljivost npr. jantara (10-18 Ω-1 m-1). Vodljivost atmosfere se praktički ne mijenja u prva 3 km nad tlom, ali s rastućom visinom vodljivost naglo raste i postaje deseterostruko veća od vrijednosti u prizemnom sloju. U gornjoj mezosferi i donjoj ionosferi (70-80 km) vodljivost se može usporediti s dobrim vodičem elektriciteta. Kad ioni dopru do tih visina vrlo se brzo podjednako globalno rasporede. Zato je sloj 70-80 km dobio ime sloj izjednačenja ili sloj izravnanja.
Električna struja u atmosferi i njene komponente Pozitivni ioni putuju prema negativno nabijenom tlu, a negativni ioni putuju u vis. Tako nastaje stalna vertikalna električna struja, koja teče u oba smjera ili bipolarna struja, kako ju naziva H. Israel. Ukupna bipolarna struja na nekom mjestu se može izraziti kao:
Bipolarna struja, nastaje u mirnoj neporemećenoj atmosferi i zove se vodljiva, konduktivna struja ili struja lijepog vremena. Međutim, ioni se povode i za mehaničkim gibanjem zraka, a prenošenje električnog naboja duž zračne struje stvara tzv. konvektivnu električnu struju. Konduktivna i konvektivna električna struja su glavne komponente opće pretežno vertikalne električne struje u donjoj atmosferi. Nadalje, oborina sadrži elemente raznih veličina i agregatnog stanja (kapi kiše, kristali snijega, zrnca tuče), koji također mogu nositi pozitivni ili negativni naboj, a obaranjem iz oblaka čine tzv. oborinsku struju kao treću komponentu električne struje u donjoj atmosferi. Prema tome se ukupna struja na nekom mjestu i vremenu može izraziti kao:
Vrijednosti tih jakosti su male, pa se računa vrijednost globalne struje IZ lijepog vremena za cijelu Zemlju iz izraza:
gdje je JZ gustoća struje lijepog vremena koja u prizemnom sloju zraka iznosi oko 2∙10-12 Am-2 i s visinom se tek neznatno mijenja. P je ploština Zemlje, koja iznosi 5,1 ∙1014 km2, a odatle je IZ = 1 kA, vertikalna je i usmjerena je prema tlu .
Električno polje, razlika potencijala i otpor Jakost električnog polja određena je izrazom: Srednjak jakosti električnog polja u neporemećenim uvjetima prizemne atmosfere kreće se oko 150 V/m, ali je promjenljivost velika pa se mjerene vrijednosti kreću između 60 i 500 V/m, a za olujnog nevremena vrijednosti se penju na nekoliko kV/m. Jakost polja opada približno eksponencijalno s visinom, jer se i električna vodljivost mijenja eksponencijalno s visinom.
Razlika potencijala električnog kruga u donjoj atmosferi određuje se iz:
∆U je razlika potencijala između tla i sloja izjednačenja, ∆z je razlika visina. Srednjak razlike potencijala u neporemećenim uvjetima iznosi 240 kV, a mijenja se u rasponu 180 do 400 kV.
Električni otpor u atmosferskom električnom krugu se mijenja ovisno o jakosti električnog polja i gustoće struje, dakle prvenstveno o jakosti polja, jer je gustoća struje praktički konstantna. Prema gore navedenoj formuli bi promjena jakosti polja s visinom, trebala na visini od 30 km dati jakost polja oko 1% njegove vrijednosti pri tlu. Mjerenja su međutim pokazala da električno polje već na visini od 2 m opadne za 80% prizemne vrijednosti . Isto tako, prema zakonima elektrostatike naboj među pločama kondenzatora električnog polja navedenih karakteristika, trebao bi se izjednačiti već nakon desetak minuta, a uvažavajući realne uvjete u atmosferi do izjednačenja bi došlo približno nakon pola sata. Međutim, do toga ne dolazi jer se polje u donjoj atmosferi održava i neprekidno obnavlja, zadržavajući podjednako iste karakteristike. Prema tome, u prirodi postoji mehanizam koji to polje održava. Izvorni proces za održavanje atmosferskog električnog polja su grmljavinske oluje, koje preko električnog izbijanja (munje) obnavljaju atmosferski kondenzator. Prema globalnim klimatološkim podacima svakog trenutka u svijetu izbija 1000 do 2000 munja. Munje izbijaju tijekom grmljavinske oluje, a najčešće su u tropskom pojasu preko cijele godine. Čestina pojavljivanja im postepeno opada prema polovima. U umjerenim širinama su oluje nad kontinentom vezane za toplo doba godine i dana (većinom poslije podne), dok u obalnom području umjerenih širina su hladno doba godine i noć povoljniji za termodinamičku nestabilnost i razvoj grmljavinskog nevremena, radi površine mora u neposrednoj blizini, koja je toplija od obale. Takova razlika u čestini grmljavinskih oluja između kontinentalnog i obalnog područja je utvrđena i u Hrvatskoj, unatoč nevelikoj površini koju zauzima.
Održavanje električnog polja u atmosferi
Električne pojave u donjoj atmosferi mogu se uzeti kao neovisne o globalnom električnom kondenzatoru kojemu je jedna ploča negativno nabijena Zemljina površina, a druga ploča koncentrirani pozitivni naboj ispod sloja izjednačenja, na visini baze najnižeg ionosferskog sloja (70 do 80 km). Kako je već spomenuto naprijed, karakteristične veličine električnog polja ovise o meteorološkim parametrima: magla, vlažnost zraka, vrsta i razvijenost oblaka, koncentracija organskih i drugih primjesa (prašina, čađa, pelud i dr.). U području vremenskih poremećaja povezanih s prolazom zračnih fronti kao i lokalnih termodinamičkih nestabilnosti u toplo doba godine i dana, nastaju povoljni uvjeti za nastanak olujnih oblaka intenzivnog vertikalnog razvoja (Sl.4). To su kumulonimbus i kumulonimbus inkus oblaci (simbol Cb u meteorologiji, od lat cumulonimbus znači gomilica i kiša, lat. incus znači nakovanj, jer na njega podsjeća najgornji zaleđeni dio u zadnjoj fazi razvoja olujnog oblaka). Vertikalne dimenzije Cb incus oblaka mogu doseći 10 km i više. To znači da se taj oblak može protezati kroz cijelu troposferu, prodirući čak i u donju stratosferu. Gornji dijelovi tih oblaka (5 km i više) sastoje se redovito od ledenih zrnaca ili ledenih kristala. U uvjetima intenzivnog razvoja oblaka električno polje postaje vrlo promjenljivo: površinski naboj postaje mjestimice pozitivan, prostorni naboj opada s visinom, a smjer E-polja poprima smjer suprotan onom koji prevladava nad područjem lijepa vremena.
Slika 3. Shema grmljavinskog oblaka kao baterije za održavanje globalnog elektrostatskog polja i strujnog kruga u atmosferi (M.A. Uman, 2001).
Vremenski poremećaji u obliku grmljavinskog nevremena su glavni generator trajnog održavanja električnog polja donje atmosfere. U olujnim oblacima jakog vertikalnog razvoja, donja baza oblaka je većinom negativno nabijena, što inducira pozitivni naboj na tlu ispod oblaka, s velikom razlikom potencijala između oblaka i tla. To znači da se prostorni naboj preraspodjeli suprotno onome u području lijepa vremena.. Posljedica je snažno električno izbijanje (ili električno pražnjenje) a električna struja poteče uzlazno, zatvarajući na visini i kroz tlo strujni krug sa silaznom prevladavajućom slabom električnom strujom nad područjem Zemlje bez vremenskih poremećaja, koje je znatno većeg rasprostiranja.
Električno izbijanje u grmljavinskom oblaku Električni naboji u grmljavinskom oblaku raspoređuju se na elementima oblaka (jezgre kondenzacije i sublimacije, kapi kiše, ledene čestice i snježni kristali). Područja unutar oblaka, s prevladavajućim nabojem istog predznaka čine pozitivne ili negativne ćelije unutar oblaka. Sl. 4 prikazuje skicu oblaka s dvije ćelije suprotnog naboja. Nabijene čestice i ćelije naboja istog predznaka u oblaku, su prostorno odvojeni neutralnim zrakom između, a taj je loš vodič elektriciteta. Turbulencija približava ili udaljava pojedine čestice i područja istoimenog naboja unutar oblaka, što izaziva promjenljivost jakosti električnog polja. Kad momentalna vrijednost polja premaši kritičnu vrijednost jakosti (> 1 MV/m), dođe do udarne ionizacije i izbijanje električne iskre odnosno do pojave munje. U početnoj fazi pozitivni ioni ostaju praktički na mjestu (veći su i slabije pokretljivi), a negativni ioni i elektroni, znatno veće pokretljivosti, napreduju prema području induciranog suprotnog naboja.
Slika 4. Primjer raspodjela električnog naboja u grmljavinskom oblaku kumulonimbus-inkus, sa snažnom ćelijom negativnih naboja u središnjem dijelu oblaka i s dvije ćelije pozitivnog naboja, od kojih je donja slabo razvijena (Enciklopedia Britanica, 1995).
Vremenski slijed daljnjih događanja najčešćeg tipa električnog izboja (tip (1) na Sl. 5.) odnosno napredovanja negativnog naboja iz oblaka prema induciranom pozitivnom naboju na tlu može se pojavno ovako opisati:
Slika 5. Vrste električnog izbijanja između oblaka i tla (Berger 1978.).
(1) Negativno nabijena vodilica kreće silaznim kanalom od oblaka prema tlu i umanjuje negativni naboj i time napon oblaka prema Zemlji. To je najčešći tip atmosferskog električnog izbijanja između oblaka i tla i javlja se u 90% od ukupnog broja slučajeva. (3) Pozitivno nabijena vodilica kreće silaznim kanalom od oblaka prema tlu iz ćelije pozitivnog naboja oblaka. Ovaj tip munje javlja se približno u samo 10% od ukupnog broja električnih izbijanja oblak- tlo. (2) i (4) Vodilice se kreću od tla prema gore i ove vrste munja su izazvane električnim izbijanjem od tla prema oblaku. Vrsta (2) je pozitivno nabijena vodilica i izaziva snižavanje negativnog naboja oblaka. Vrsta (4) je negativno nabijena vodilica, koja dovodi do snižavanja pozitivnog naboja oblaka. Električni izboji od tla prema oblaku su relativno rijetki i većinom se opažaju iznad visokih tornjeva, građevina i iznad planinskih vrhunaca.
Kanal munje proviri iz oblaka kao vodeći korak ili vodilica i napreduje stepenasto u koracima prema području suprotnog naboja. Vodilica prevali put 20 do 50 m i zastane a zatim nakon stanke od oko 5 ms (10-6 s) naglo nastavi put uz svjetlucanje, prijeđe daljnjih 20-tak m i opet zastane itd. “Koraci” slijede jedan za drugim sve do neposredne blizine tla. Brzina napredovanja je oko 105 do 106 m/s. U napredovanju od baze oblaka prema tlu, munje mogu imati 50 do 100 koraka, pa i više. Za vrijeme
stanke vidljiv je slabi sjaj do tada pređene staze kanala. Električno
polje između vodilice kanala i tla je sve snažnije, a nakon premašivanja
kritične vrijednosti dolazi do susreta vodilice, sada glave kanala
s tzv. hvataljkom odozdo (iz ćelije induciranog pozitivnog naboja
pri tlu). Time je dovršeno stvaranje ioniziranog kanala ili vodljive
staze za munju. Slijedi pojava prethodnice i zatim nagli dotok
struje u susret glavi kanala. Pozitivni naboj, induciran na tlu, nahrupi u
krivudavi, već ionizirani silazni kanal, kao povratna struja ili povratni
udar. To je zapravo lavina suprotnog naboja, koja kratkotrajno neutralizira
naboj kanala (u ovom slučaju negativan). Povratna struja poteče uz
zasljepljujući sjaj ili bljesak i prasak, a njena brzina je reda
veličine l07 do 108 m/s. Bljesak povratne struje ili
munja, duž ioniziranog kanala, je završna faza udara groma. Nakon
stanke slijedi obnavljanje vodljivog kanala i priprema za sljedeći
povratni udar. Naknadni udari groma ne razvijaju se u koracima, nego
kontinuirano (brzina je reda veličine Električna izbijanja između oblaka i tla dadu se klasificirati u četiri kategorije prema smjeru kretanja vodilice i predznaku njenog naboja u ioniziranom kanalu. Slika 6. prikazuje niz skica pojedinih faza oblaka pri razvoju groma ili električnog izbijanja između negativno nabijene baze oblaka i pozitivno nabijenog tla ispod oblaka kao najčešćeg tipa električnog izbijanja u atmosferi. Prva je skica oblaka s povoljnom raspodjelom naboja za pojavu vodilice i njenog putovanja i izgradnje ioniziranog kanala sve do susreta s hvataljkom, koja joj stiže u susret s tla. Slijedi skica s pojavom prethodnice i priprema za prvi povratni udar (munja). U nastavku skice prikazuju obnavljanje vodljivog kanala i pripremu za sljedeće povratne udare.
Sl. 6. Redoslijed faza u procesu razvoja groma ili negativnog električnog izboja oblak → tlo (M.A. Uman, 2001).
Uz pojedine faze na Sl. 6. je naznačeno i njihovo približno trajanje. Jedinice su mili sekunde, što znači da cijeli niz faza do izbijanja groma (priprema, preko stvaranja ioniziranog kanala, do izboja praćenog bljeskom i grmljavinom, pa ponovnih priprema za daljnje povratne udare) nije moguće razlučiti prostim okom, nego se one sve stapaju u jedinstven konačni doživljaj munje kao svjetlosne i zvučne pojave. Ionizirani kanal ili staza munje koja preostaje nakon povratnog udara, često je prostom oku nevidljiva jer tek slabo i isprekidano svjetluca, djeluje poput vodiča u slabo vodljivom okolnom zraku i brzo se ponovo obnavlja. Kanal je krivudav, jer ovisi o nepravilnoj raspodjeli prostornog naboja u okolnoj atmosferi, a može se i cijepati i tako tvoriti grane izvornog ioniziranog kanala, uvijek usmjerene prema povećanoj prostornoj koncentraciji suprotnog naboja. Ona grana čija glava kanala prva stiže do tla čini glavni kanal munje. Razlikuje se toplinsko i mehaničko djelovanje munje odnosno groma. Prolazom struje kroz sredstvo ili predmet velikog otpora, razvija se toplina. Ako u takovom predmetu ima pukotina ispunjenih npr. vodom razvije se visoki tlak pare što može izazvati raspadanja predmeta (rušenje zida, dimnjaka, raspuknuće stabala ili drvenih stupova i sl. zbog udara groma). Udar groma odnosno njegove munje, u zapaljivi materijal izaziva požar. Struja izazvana munjom «slijeva» se niz glatku i vlažnu koru bukve, ali ne ide kroz vanjsku hrapavu koru hrasta nego prolazi godovima ispod kore, koji su bogati kapilarama. Pokazalo se da je proces atmosferskog električnog izbijanja lokalni izvor za dušični oksid u okolnom zraku. Mehanizam tog procesa još nije u potpunosti poznat kao niti eventualna ovisnost o tipu munje (npr. pozitivni ili negativni izboj između baze oblaka i tla ili unutar oblaka). Povećanje koncentracije dušičnog oksida međutim utječe na količinu troposferskog ozona, što nadalje utječe na trenutačna fizička i kemijska svojstva okolnog zraka. Nakon munje ili bljeska čuje se grmljavina zbog jakog zagrijavanja i ekspanzije zraka unutar kanala munje (temperatura postiže vrijednosti reda veličine 104 K i više). Nakon nagle ekspanzije nastupa ohlađenje od okoline i kompresija, pa nastanu kompresioni ili zvučni valovi prema istom mehanizmu kao što nastane tutanj topa.
Slika 7. Horizontalna munja (munja između oblaka) i pravci (1), (2) i (3) kao pokazatelji udaljenosti od stajališta S na tlu (obrada fotografije: http://en.wikipedia.org/wiki/Lightning).
Postoji razlika između zvuka grmljavine i topovskog tutnja. Zvučni val topovskog hitca širi se koncentrično kao od točkastog izvora i čuje se u jednom tutnju. Grmljavina je pak izazvana zvučnim valovima nastalim duž kanala munje dugim više kilometara (idući od oblaka do tla ili unutar oblaka ili između više oblaka). Povratna struja putuje kanalom brzinom blizu brzine svjetlosti (nešto manjom) pa čitav kanal izgleda osvijetljen praktički istovremeno. Valovi zvuka od grmljavine putuju brzinom približno jednakom brzini zvuka (brzina zvuka 330 m/s). Do opažača u stajalištu S (npr. do meteorološkog motritelja) stigne najprije zvuk proizveden dijelom munje najbliže stajalištu S (linija (1) vrijeme t1), a zatim opažaču stiže zvuk iz udaljenijih dijelova munje (linija (2) i (3) s pripadnim vremenima t2 i t3 na Sl. 7.). Pri tom je t1 < t2 < t3 . Zbog toga se grmljavina čuje poput tutnjave (mnogo tutanja) ili poput kotrljanja, a ne samo kao jedan tutanj ili prasak. Dakle ako je kanal munje vijugav i razgranat trajanje grmljavine je produženo, jer svaka grana kanala proizvodi odvojeni zvuk. Tome se pridružuje učinak odbijanja zvuka na nepravilnostima oblika baze oblaka i površine na tlu. U okolnostima kad dođe do groma «iznad glave» opažača, zvuk je kratak, jednostruk i vrlo jak, poput praska i gotovo istovremen s bljeskom munje.
Vrste munja
Električna izbijanja od oblaka prema tlu, unutar i između oblaka
Razgranata munja
Električno izbijanje oblak→tlo, kao na slici, prikazuje vrlo razgranatu munju. Vodljive staze su krivudave i razgranate (sporedne munje), ali do tla stiže samo jedan ili glavnih kanala, koji su i najblještaviji.
.
Slika 8 . Razgranata munja (http://www.strikingimages.com/light.htm) Vrpčasta munja
Slika 9. Udar groma 21. 8. 2003, blizina Toronta, Ontario,SAD (http://en.wikipedia.org/wiki/Lightning )
Opaža se kao bliješteća vrpca od baze oblaka do tla. Nastaje uzastopnim električnim izbojima, uz istovremeni bočni pomak ioniziranog kanala, kao posljedica snažnog vjetra po smjeru približno okomitog smjera na pružanje kanala munje.
Višestruka munja
Slika 10. (http://en.wikipedia.org/wiki/Lightning)
Slika pokazuje munje iz dva odvojena oblaka. Početni dijelovi obiju munja skriveni su unutar izvornih oblaka.
Staza munje ili ionizirani kanal
To je staza ioniziranja duž koje dolazi do električnog izboja, zaostaje jedva vidljiva na kratko nakon što glava koraka dosegne tlo a prije udara povratne struje i za pripreme daljnjih udara. Staza munje je isprekidana i slabo svjetlucava. Jače osvijetljeni dijelovi staze ostaju dulje vidljivi. Obzirom da se radi o kratkom vremenu između pojedinih faza stazu munje je teško okom primijetiti. Munja se može snimati fotoaparatom s fiksnim ili s pokretnim filmom, a upotrebom pokretnog filma se na slici mogu dobiti pojedine faze do nastanka munje (sl.11).
Slika 11. Niz povratnih izboja, pri udaru groma, snimljeno kamerom s pokretnim filmom (http://www.horsburgh.com).
Atmosfersko električno izbijanje ili pražnjenje
Električno izbijanje iz oblaka, ali koje ne dopre do tla. Ionizirajući kanal napreduje horizontalo i može postići duljinu od više desetaka km. Ponekad takav kanal munje ponovo ulazi u isti oblak ili u drugi susjedni grmljavinski oblak.
Slika 12.(www.ghcc.msfc.nasa.gov) Slika 13. (adresa kao Sl.12)
Plošna munja, sijevanje
Slika 14. Sijevanje (adresa kao Sl.12)
Tu se radi o munji unutar grmljavinskog oblaka, očituje se u difuznom osvjetljenju oblaka. Kanal munje može biti djelomice vidljiv, kroz prozirnije dijelove oblaka. Plošne munje su češće od gromova (munja oblak - tlo) i prema jednoj statistici pojavljuju se u omjeru 6: 1 u korist plošnih munja. Unutar jednog grmljavinskog oblaka može doći do stotine plošnih munja a da pri tom ni jednom ne dođe do groma. Ponekad se opaža premještanje plošne munje iz jednog kraja oblaka prema drugom njegovom dijelu (udaljenosti 70 i više km).
U ovom slučaju vodljiva staza i munja započinje od tla prema grmljavinskom oblaku, kad se on nalazi iznad nekog istaknutog objekta (toranj, neboder) ili iznad planinskog vrhunca. Visoki objekti i orografski oblici deformiraju električno polje prizemne atmosfere. Iznad istaknutih objekata poraste jakost polja, koja dovodi do uvjeta povoljnih za formiranje vodilice od istaknutog vrha prema gore i razvoja ioniziranog kanala odozdo. Duljina koraka, vremenski interval među njima i ostala obilježja u razvoju ove munje slični su onima pri razvoju munje oblak→tlo. Ovdje jedino izostaje bljesak povratne struje od baze oblaka prema šiljku pri tlu, ali dolazi do slijeda uzastopnih udara, duž kanala prvotno stvorenog početnom munjom. Taj kanal nije razgranat kao ionizirani kanal, koji počinje u oblaku.
Sl.15. Munja koja izbija iz objekta pri tlu (tlo→oblak), nije razgranata,
Slika 16. Udar munje u avion, snimljeno u Japanu (www.erh.noaa.gov) i (www.scifgun.ed.ac.uk)
Vatra sv. Nikole, vatra sv. Ilije ili vatra sv.Elma
Tiho luminiscentno električno pražnjenje iz istaknutih zašiljenih objekata na Zemljinoj površini je još u 18 st. protumačeno kao električna pojava u prirodi (B. Franklin, 1749). Šiljasti predmeti izazivaju deformaciju električnog polja u svojoj okolini. Linije polja električnog potencijala su nad zašiljenim objektima gušće, te električno polje može premašiti kritičnu vrijednost (3 MV/m) i dolazi do električnog izboja elektrona u mlazu, do sekundarne ionizacije, praćene svjetlucanjima u obliku vijenca ili korone oko predmeta, koji je izazvala pojava. Veličina vijenca ovisi o jakosti naboja oko šiljka. Pri pozitivnom naboju je veći, a boja svjetlucanja je ljubičasta. Pri negativnom naboju vijenac je manji, a svjetlucanje je svjetlije i plavkasto. Područje svjetlucanja je zapravo plazma, male gustoće izazvana razlikom potencijala iznad vrijednosti dielektričnog praga električnog proboja u zraku.
Slika 17. Crtež broda s vijencima vatre sv. Nikole oko jarbola (http://en.wikipedia.org/wiki/St_Elmo%27s_fire).
Prema mnogim opisima opažača to je sjajna svjetlost, koja poput plavkaste vatre u jednostrukom, dvostrukom ili trostrukom mlazu izlazi iz šiljastih objekata, stupova, tornjeva, dimnjaka, iz avionskih krila i sl. Pojava se može vidjeti i u kuglastoj formi, a viđena je, iako vrlo rijetko, i od pojedinačnih osoba. Zapisano je i da je viđena za vrijeme oluje i kod stada ovaca na vrhovima njihovih rogova. Često je opažana na vrhovima brodskih jarbola u vrijeme kad grmljavinsko nevrijeme na moru već pomalo jenjava. Po tome pojava nosi naziv sveca, zaštitnika pomoraca: Sv. Nikola u Hrvata, St. Elmo prema Sao Telmo ili Saint Telmo svetac zaštitnik portugalskih pomoraca ili prema gromovniku iz biblije Sv. Iliji. U hrvatskom jeziku je naziv sv.Nikole stariji i zapisan je već u 15. st. u knjizi Dubrovčanina B. Kortuljevića (M.Vučetić, 2004).
Osobite svjetlosne pojave do kojih povremeno dolazi u atmosferi
Kuglasta munja
Ima dosta zapisa te neobične pojave kao i crteža (Sl. 18), koji sežu i par stoljeća unatrag. Kuglasta munja nastaje iznenada, traje kratko i dosada postoji tek mali broj fotografija, nastalih slučajno. Prva fotografije je nastala tek u drugoj polovici 20 stoljeća, kad se pojava javila iznenada a opažač je imao foto-kameru uza se.
Slika 18. Fotografija kuglaste munje, koju je slučajno snimio jedan student u Japanu (http://en.wikipedia.org/wiki/Ball_Lightning).
Iz opisa: kuglasta se munja javlja kao svjetleća kugla, promjera 10 do 20 cm, ali viđena je veličine promjera 1 do 2 m, nastaje nakon udara groma, pomičući se polagano, paralelno s tlom ili slobodno kroz zrak. Ponekad tiho nestane, a nekad eksplodira u dodiru s nekim tvrdim predmetom (stablo, zid). Ponekad se opisuje da slijedi metalne vodiče, kao npr. električne vodove ili željezničke tračnice. Viđeno je i opisano da je kuglasta munja ušla u kuću, kroz otvoreni prozor ili kroz dimnjak, a zatim se raspala u dodiru sa zidom ili je pak zaokrenula u gibanju i izašla kroz prozor. Viđeno je kako je kuglasta munja usmrtila životinje i ljude ili ih je pak onesvijestila. U jednom slučaju je takova svjetleća kugla, veličine naranče, viđena kako pada u posudu vode (u posudi je bilo blizu 5 l vode), a voda se pri tom ugrijala do vrenja.
Slika 19. Crtež koji opisuje pojavu kuglaste munje pri ulazu iz otvorenog prostora u kuću, potječe iz 19.st.(http://en.wikipedia.org/wiki/Ball_Lightning) i (http://amasi.com/tesla/balligtn.htm)
Kuglasta munja je vrlo rijetka pojava, no čini se da je češća u visokim predjelima Alpa. Mnogi stručnjaci su čak odricali tvrdnju da kuglasta munja uopće postoji. Ipak neki od opisa pojave su pouzdani. Malo je znanstvenika- stručnjaka atmosferskog elektriciteta do sada vidjelo kuglastu munju zbog već navedenih činjenica: javlja se u neočekivano vrijeme, na neočekivanom mjestu, a traje kratko. U novije vrijeme se pojavu uspjelo snimiti u više navrata fotografskim aparatom a i drugim instrumentima (npr. magnetometar).
I danas još nema jedinstvene teorije o uvjetima nastanka kuglaste munje, iako je prema opisima viđena najčešće za grmljavinskog nevremena. Evo nekih od teorijskih razmišljanja. Ima više kemijskih teorija npr. kuglasto svjetlo koje nastane izgaranjem močvarnih plinova, povućenih iz tla električnom (povratnom) strujom pri udaru groma, ili električni izboj u zraku je popraćen posrednim stvaranjem ozona i atomarnog kisika, a ta nestabilna smjesa se naglo vraća u molekularni kisik uz izbijanje svjetla. Električna teorija. U kanalu munje postoji visoka koncentracija elektrona, koja opstaje kroz neko vrijeme uz mjestimice snažnu emisiju svijetlosti, izazvanu sudarom elektrona i molekula okolnog zraka; neki smatraju da je kuglasta munja plazmatična tvorba stojnog vala; pokusima u laboratoriju se uspjelo dobiti mjehur plazme izazvan električnim izbojem, ali plin se u stanju plazme zadržava tek nekoliko milisekunda, ako nema nekog doprinosa energije izvana; teško je rastumačiti kako kuglasta munja u prirodi može postojati kroz nekoliko sekundi ili čak kroz nekoliko minuta, ako je nastala samo izdvajanjem iz kanala munje kao plazmatična forma. Zbog često oskudnih i kontradiktornih opisa kuglastih munja za sada je nemoguće podržati bilo koju od ponuđenih teorija
Plavi mlazovi, vatrenjaci, vilenjaci
Slika 20. prikazuje fantastične oblike nekoliko svjetlosnih pojava u atmosferi iznad troposferskog grmljavinskog oblaka kumulonimbusa. Pojave su snimljene noću vrlo osjetljivim foto kamerama i ne moraju postojati istovremeno. Najviše se ističu plavi mlaz (blue jet), vatrenjak (sprite) i vilenjak (elve). Imena na hrvatskom su odabrana slobodno, a ona na engleskom potječu od imenima duhova iz starih mitova i iz tekstova W.Shakespeara. Takova maštovita imena su usvojena obzirom da se još uvijek dovoljno ne zna o njihovom nastanku. Odmah iznad oblaka na slici uzdiže se plavi mlaz kao neka svjetlosna vrpca koja prelazi u plavičasti nastavak. Pojava na slici je trajala oko četvrtinu sekunde i snimljena je noću 1994.g. iz NASA-inog istraživačkog aviona, dok je istovremeno došlo do električnog izbijanja u donjem dijelu oblaka .
Slika 20. Svjetlosne pojave iznad izrazitog grmljavinskog oblaka (obrađeno prema http://sky-fire.tv/index.cgi/spritesbluejetselves.htm), koje se raspoređuju na raznim visinama srednje atmosfere. Na apscisi je ljestvica udaljenosti a na ordinati ljestvica visine i nazivi atmosferskih slojeva. Brojevi označavaju položaj svjetlosnih pojava na slici: (1) plavi mlaz (2) vatrenjak (3) vilenjak (4) grmljavinski oblak Cb (5) munja između oblaka i tla.
Vatrenjak (engl. sprite) nastaje na visini od oko 70 km (mezosfera) kao kratkotrajna svjetlosna tvorevina u obliku vatrenih plamenova usmjerenih prema dolje. Pojava može dosezati 90- 100 km, dakle sve do ionosfere. To je pojava prvenstveno crvene boje iz čijeg gornjeg dijela se izdvajaju ogranci poput plamenova spuštajući se u niže slojeve katkada čak do 25-30 km u stratosferu, i pri tom postaju plavkasto obojeni. Vatrenjake proizvodi grmljavinski oblak osobito jakih električnih izboja prema tlu i obično se javljaju zajedno. Smatra se da pojava vatrenjaka može izazvati stvaranje dušičnog oksida u srednjoj atmosferi (kao što se uz munju nailazi na novo nastale količine dušičnog oksida u troposferi). Uspjelo je modelirati razvoj vatrenjaka, ali postoje neslaganja između modela i mjerenih podataka, a pri tom se još ne zna koliko su neslaganja izazvana pogreškom u mjerenju ili u samom modelu. Daljinska mjerenja koja su otkrila postojanje vatrenjaka u atmosferi, potvrdila su opisivanja pilota prema vizualnim opažanjima iz pilotske kabine, kojima se najprije nije vjerovalo, a kasnije su takovi opisi (1970-1980) sređeni i predstavljaju vjerodostojne obavijesti o pojavi vatrenjaka, prije početaka instrumentalnih praćenja. Naime, vidljivost vatrenjaka prostim okom traje do desetinke sekunde, dok se pomoću osjetljive noćne foto kamere vatrenjak može pratiti do stotinke sekunde. Vatrenjaci su većinom udruženi sa snažnim pozitivnim električnim izbojima između oblaka i tla, što naglo ojača električno polje u srednjoj atmosferi nad oblakom, iznad granične vrijednosti dielektričnog praga za atmosferu. Drugim riječima, iznad grmljavinskog oblaka nastane ogromna električna iskra (na visini oko 70 km), čiji se ionizirani kanali poput snopa niti šire u više i niže slojeve. Vatrennjaci nisu popračeni čujnom grmljavinom, ali mogu proizvesti zvučne valove vrlo niskih frekvencija (oko 1 Hz) na koje ljudsko uho nije osjetljivo. Međutim, ti infrazvučni signali se mogu detektirati posebnim prijamnicima čak na stotine pa i tisuće km daleko od izvora.
Slika 21. Vatrenjak nastao između grmljavinskog oblaka i donje granice ionosfere, (snimljeno osjetljivom noćnom foto-kamerom http://science.nasa.gov/newhome/headlines/essd08jun99_1.htm).
Vilenjak (engl.
elve), nastaje kao svjetlosna pojava crvene boje, prstenasta oblika na visini Iz umjetnih satelita je utvrđeno gama zračenje u atmosferi iznad grmljavinskih oblaka, koje je vjerojatno izazvano međudjelovanjem impulsa elektromagnetskog polja s kozmičkim zračenjem.
Okamenjena munja ili fulgurit
Ime dolazi od lat. fulgurit što znači vertikalni udar groma ili munja, koja udari okomito u tlo. Ime okamenjena munja može se povezati s ponekad razgranatim i nepravilnim oblikom fulgurita, koji odaje oblik puta ionizirane staze kojom je električni naboj prodro u tlo.
Slika 22. Bijeli fulgurit, nađen u Novom Zelandu (http://www.sciencemall-usa.com/fulgurites2.html) i primjerka iz zbirke geologa A.Aldena, (http://geology.about.com/library7bl/images7blfulgurite.htm)
Oblik i boja. Često štapićastog hrapavog oblika izvana, obložen grubljim česticama pijeska ili tla, i glatkog cjevastog oblika iznutra, duljine od desetak centimetara pa do metar ili više. Okamenjena tvorevina je uvijek iznutra šuplja. Dijametar unutarnje cijevi može biti od 1 do nekoliko centimetara. Te tvorevine su dosta krhke i lome se pri iskopavanju iz tla. Fulguriti mogu biti poluprozirni , bijeli (rijetko), svjetlo smeđi, zelenkasti i crne boje, što ovisi o kemijskom sastavu otopljene materije, u koju je udario grom.
Slika 23. Fulgurit razgranatog oblika (poput korijena), nađen u Aura Valley, Arizona (http://www.menzelphoto.com/gallery/big/lightning6.htm)
Nastanak. Većinom su posljedica toplinskog djelovanja udara groma u pjeskovito tlo. Duž ioniziranog kanala se razvije visoka temperatura (preko 1000 K pa čak i oko 20 000 K). Uz takovu temperaturu, koja traje djelić sekunde, sastojci tla izgaraju ili se otope, a zatim brzo ohlade od okolnog tla, koje nije bilo pogođeno munjom. Najčešće se mogu naći nakon udara groma u pješčano tlo, ili pustinjski pijesak, koji sadrži dosta čestica kvarca (SiO2). Amorfni kvarc ili prirodno staklo je nakon ohlađivanja glavni sastojak fulgurita. Tragovi fulgurita se mogu naći i u području kamenitih tala. Kameni komadi u koje je grom udario su prekriveni glatkom smećkasto zelenom glazurom . Čestina pojave. Prema svjetskoj statistici grmljavinskih dana bilježi se nekoliko miliona munja dnevno na Zemlji (većinom u tropskom i nižim širinama umjerenog pojasa). Svaka munja u sebi nosi nezamislivu količinu energije, koja se očituje trenutačnom postizanju visokih temperatura duž ioniziranih kanala. Od ukupne množine munja u atmosferi tek manji dio udara u tlo, predstavljajući pojavu groma. Od ukupnog broja gromova jedan manji dio udara u pjeskovita tla u kojima nastaje najveći dio fulgurita, jedan dio udara u kamena tla ili u stjenovite planinske vrhunce, a ostatak u ostala tla na Zemljinoj površini.
Pitanja čitatelja su dobrodošla i uputite ih na jednu od adresa:
Kako se zaštiti od udara groma za grmljavinskog nevremena?
Slika 24. Istovremena pojava razgranate munje izazvane gromom (oblak→tlo), jedne horizontalne munje i munje tlo→oblak (http://en.wikipedia.org/wiki/Lightning).
· Ostanite u zatvorenom (stan, kuća i sl.) i ne izlazite, niti se zadržavajte vani za grmljavinskog nevremena, ako nije neophodno.
· Udaljite se od otvorenih vrata ili prozora, od peći štednjaka, radijatora i električnih aparata, uključenih u električnu mrežu (radio, televizor, električne svjetiljke i sl.).
· Ne služite se električnim aparatima za vrijeme grmljavinskog nevremena (električno glačalo, sušilo za kosu, brijaći aparat i sl.).
· Ne upotrebljavajte telefon, jer grom može pogoditi vanjsku liniju.
· Ne skidajte rublje s užeta za vrijeme grmljavinskog nevremena.
· Prekinite eventualne radove na ogradi, električnim vodovima, vodovodnim cijevima ili na metalnim konstrukcijama.
· Nemojte nositi ili se služiti metalnim predmetima (kišobran, kosa, štap s udicom i sl.). Klinaste cipele sportaša nepogodne su za upotrebu za vrijeme grmljavinskog nevremena.
· Nemojte rukovati zapaljivim materijalom u otvorenim posudama.
· Izađite iz vode ili malenog čamca i udaljite se od vodenih površina.
· Ostanite u svom automobilu, ako ste na putu za vrijeme grmljavinskog nevremena. Automobili daju potpunu zaštitu od groma.
· Zaustavite rad traktora na polju, naročito ako on vuče metalnu opremu ili dijelove. Traktore i drugo oruđe, koje ima metalni kontakt s tlom, često pogađa grom.
· Ako se zadržavate vani na otvorenom neizbježno je najbolja zaštita u nekoj špilji, u udubini tla, šancu, dubokoj dolini ili kanjonu, uz podnožje stijene, u unutrašnjosti guste šume, ili među gustom nakupinom drveća (ali tada odaberite jedno niže stablo okruženo višim stablima).
· Ako vani ne možete naći zaklon, najbolja je zaštita čučnuti, ako ste na otvorenom, držeći se dalje od pojedinačnih stabala. Udaljite se od drvoreda. Izbjegavajte najviša mjesta u okolici, osamljene kolibe i planinske vrhunce.
· Ako osjetite električni naboj, da vam se kosa ježi ili da vas trnci prolaze po koži, to je znak da vas grom upravo može pogoditi. Smjesta se bacite na pod. Preporuke za daljnje čitanje iz domaće i strane literature:
· Berger K., 1978, Blitzstrom Parameter von Aufwärtsblitzen, Bull. Schweiz. Slektrotch. Ver, 69, 353-360. · Israel, H., 1957:Atmosphärische Elektrizität, Teil I, Leipzig, Akad. Ver. 370. · Krulc Z. 1984, Opasna munja HPD, LDXXII/6, Zagreb, 170-172 · Newcott W.R., 1993, Lightning, National Geographic July,(83-100) · Uman M.A., 2001, The Lightning Discharge, Dover Publications, 377. · Volarić B., 1955, O grmljavinama, R. Bošković Almanah, HPD, Zagreb, 192-198. · Volarić B., 1960-61, Kako nastaju električni naboji u grmljavinskom oblaku, Matem.-Fiz. list, 11/1-2, Zagreb, 62-64. · Volarić B.,1961-62, Problem održanja električnnog polja u atmosferi, Mat.-fiz.list 12/2, Zagreb, 65-71. · Volarić B.,1972-73, Jakost i snaga groma, Matem.fiz. list 23/4, Zagreb, 149-152. · Volarić B.,1972-73, Izbijanje munje, Matem.fiz. list 23/2,Zagreb, 49-55. · Volarić B., 2004, Električna svojstva atmosfere, Hrvatski meteorološki časopis, 39, 83-102. · Volland H., 1984, Atmospheric Electrodynamics, Springer Verlag, 205 · Vučetić M., 2005, Vatra na vrh jarbola, More, XI/128, 96-98. · US National Oceanic and Atmosferic Administration, US Weather Bureau, 1969, The Safe Rules for Public. · Wikipedia, The Free Encyklopedia (http://en.wikipedia.org) |
.
