Ατμοσφαιρικός ηλεκτρισμός
Μέρος 2ο

Άρθρο, Νοέμβριος 2003

1ο, 2o, 3o, 4o, Επόμενο

Οι μεταβολές του πεδίου στον αέρα

Η ηλεκτρική αγωγιμότητα της ατμόσφαιρας οφείλεται κυρίως στα θετικά και αρνητικά μικρά ιόντα, τα οποία κινούνται μέσα στο ηλεκτρικό της πεδίο. Η αγωγιμότητα του αέρα, γενικά, αυξάνει με το ύψος. Κοντά στο έδαφος μεταβάλλεται με τον τόπο και το χρόνο και επηρεάζεται, όπως και τα ιόντα, από μετεωρολογικούς παράγοντες και από τη ρύπανση του αέρα.

Οι παράμετροι του ατμοσφαιρικού ηλεκτρισμού, γενικά, παρουσιάζουν ημερήσια και εποχική μεταβολή. Η αγωγιμότητα και η συγκέντρωση μικρών ιόντων παρουσιάζουν τις μεγαλύτερες τιμές τους το καλοκαίρι και τις μικρότερες το χειμώνα, που η σωματιδιακή ρύπανση του αέρα είναι μεγάλη. Αντίθετη είναι η συμπεριφορά των μεγάλων ιόντων της ατμόσφαιρας.

Το ηλεκτρικό πεδίο της ατμόσφαιρας καθορίζεται σε κάθε σημείο του χώρου από την ένταση του, που μεταβάλλεται με το ύψος και είναι η κατακόρυφη βαθμίδα του δυναμικού.

Σε συνθήκες καλού καιρού το δυναμικό αυξάνει με το ύψος, ενώ η ένταση του πεδίου της ατμόσφαιρας Ε αρνητική. Έτσι εξηγείται το γεγονός ότι σε καλό καιρό, ένα θετικό φορτίο τείνει να κινηθεί προς τα κάτω. Το ηλεκτρικό πεδίο όμως μεταβάλλεται με το χρόνο και τον τόπο. Η μέση τιμή του για καλό καιρό πάνω από ωκεανούς ανέρχεται στα 130 V/m. Στο Εθνικό Αστεροσκοπείο Αθηνών η μέση ετήσια τιμή του για οποιαδήποτε καιρική κατάσταση είναι 314 V/m. Η σχετικά υψηλή αυτή τιμή οφείλεται στο γεγονός ότι η περιοχή των Αθηνών έχει μεγάλη ατμοσφαιρική ρύπανση.

Τέλος, στη μελέτη του ατμοσφαιρικού ηλεκτρισμού η Γη θεωρείται ότι είναι αρνητικά φορτισμένη. Τα θετικά φορτία που βρίσκονται στην ατμόσφαιρα κινούνται προς τη Γη και δημιουργείται έτσι ένα κατακόρυφο ηλεκτρικό ρεύμα αέρα - Γης.

Μεταβολές του πεδίου σε διαταραγμένο καιρό

Σε διαταραγμένο καιρό παύουν να θεωρούνται οι δυναμικές γραμμές κατακόρυφες και οι ισοδυναμικές επιφάνειες οριζόντιες, ενώ έχουμε ταχύτατες και μεγάλες εναλλαγές στην αγωγιμότητα, στα ρεύματα και στην ένταση του πεδίου.

Επιπλέον, εκτός από τα συνήθη ρεύματα αγωγιμότητας, υπάρχουν ρεύματα μεταφοράς λόγω βροχοπτώσεων, αλλαγές της αγωγιμότητας, επειδή παράγονται νέα ιόντα με ηλεκτρικές εκκενώσεις. Κατά τη διάρκεια των καταιγίδων το ηλεκτρικό πεδίο έχει μεγάλη ένταση και δημιουργούνται δύο πρόσθετα ρεύματα, της σημειακής εκκένωσης και του ρεύματος αστραπής. Και τα δύο αυτά είδη ρευμάτων ανήκουν στην ομάδα του ρεύματος αγωγής, εφόσον παράγονται και ελέγχονται από ηλεκτρικές δυνάμεις.

Οι κεραυνοί

Οι ηλεκτρικές εκκενώσεις που συμβαίνουν στην ατμόσφαιρα και οφείλονται σε φυσικά αίτια ονομάζονται κεραυνοί. Ο κεραυνός συνοδεύεται από φωτεινά φαινόμενα, τις αστραπές, και από ηχητικά φαινόμενα, τις βροντές.

Οι κεραυνοί δημιουργούνται κατά τη διάρκεια των καταιγίδων, συνήθως στα νέφη τύπου σωρειτομελανία. Οφείλονται στο διαχωρισμό και τη συγκέντρωση σε ξεχωριστές περιοχές θετικών και αρνητικών ηλεκτρικών φορτίων. Ο διαχωρισμός των ηλεκτρικών φορτίων δημιουργεί ηλεκτρικό πεδίο όταν η ένταση του ξεπεράσει τη διηλεκτρική αντοχή του αέρα, ξεσπά ο κεραυνός. Κατά τη τι διάρκεια μιας καταιγίδας μπορεί να ξεσπάσουν κεραυνοί ανάμεσα σε διαφορετικά νέφη, μέσα στο ίδιο νέφος, ανάμεσα σε ένα νέφος και στον αέρα ή από ένα νέφος προς το έδαφος.

Τα ισχυρά ρεύματα του κεραυνού παράγουν πολύ μεγάλα και χρονικώς μεταβαλλόμενα ηλεκτρικά και  μαγνητικά πεδία ακόμη, προκαλούν πολλές καταστροφές. Είναι ικανά να ανάψουν φωτιές στα δάση, να δημιουργήσουν μεγάλες βλάβες στις ηλεκτρικές γραμμές μεταφοράς και να καταστρέψουν εκτεθειμένες ή μη προστατευόμενες ηλεκτρονικές και βιομηχανικές εγκαταστάσεις υψηλού κόστους. Μπορούν επίσης να δημιουργήσουν προβλήματα στην αεροπλοΐα, ( στις οικοδομές, στις τηλεπικοινωνίες και τις στρατιωτικές εγκαταστάσεις (εκρηκτικά). Οι κεραυνοί που πλήττουν απευθείας ανθρώπους προκαλούν συνήθως το θάνα το. Προξενούν τους περισσότερους θανάτους από κάθε άλλο μετεωρολογικό φαινόμενο. Κεραυνοί πέφτουν σε ολόκληρο τον κόσμο. Εκτιμάται ότι κάθε χρονική στιγμή βρίσκονται σε εξέλιξη 1.800 καταιγίδες, που παράγουν 100 κεραυνούς το δευτερόλεπτο. Σε ημερήσια βάση στη Γη σημειώνονται 44.000 καταιγίδες, που παράγουν πάνω από 8.000.000 κεραυνούς.