Ατμοσφαιρικός ηλεκτρισμός
Μέρος 3ο

Άρθρο, Νοέμβριος 2003

1ο, 2o, 3o, 4o, Επόμενο

Αστραπές και κεραυνοί

Κάθε ηλεκτρική εκκένωση που σημειώνεται στην ατμόσφαιρα ονομάζεται κεραυνός. Οι κεραυνοί συνοδεύονται από φωτεινά φαινόμενα, τις αστραπές, και από ηχητικά φαινόμενα, τις βροντές. Οι κεραυνοί δημιουργούνται συνήθως στα σύννεφα τύπου σωρειτομελανία (cumulonibus), χωρίς να αποκλείεται η εμφάνιση τους σε σύννεφα τύπου μελανόστρωμα (nimbostratus), σε χιονοθύελλες, σε κονιορτοθύελλες και, μερικές φορές, στα αέρια που συνοδεύουν την έκρηξη ενός ενεργού ηφαιστείου.

Δημιουργείται μεταξύ νέφους και εδάφους ή μεταξύ νεφών ή μέσα στο ίδιο το νέφος, συνοδεύεται δε από ένα φωτεινό φαινόμενο, την αστραπή, και ένα ηχητικό, τη βροντή. Ο όρος κεραυνός επικράτησε να αναφέρεται κυρίως στο σπινθήρα μεταξύ νέφους και εδάφους, ενώ οι άλλες δύο περιπτώσεις χαρακτηρίζονται με τον όρο αστραπή, αν και πρόκειται για το ίδιο ακριβώς φαινόμενο ηλεκτρικής αγωγιμότητας αερίου.

Οφείλονται στη συσσώρευση, σε ξεχωριστές περιοχές, αμιγών θετικών και αρνητικών ηλεκτρικών φορτίων. Ο διαχωρισμός αυτός των ηλεκτρικών φορτίων δημιουργεί μια διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού. Όταν αυτή η διαφορά δυναμικού ξεπεράσει τη διηλεκτρική αντοχή του αέρα, ξεσπά ο κεραυνός.

Οι εκκενώσεις από τα σύννεφα προς τη Γη συνίστανται από ένα ή περισσότερα τμήματα, που μπορούν να γίνουν αντιληπτά με το μάτι σαν αναλαμπές. Παρ' όλο που το είδος αυτό των εκκενώσεων αποτελεί μόνο το 20% περίπου του συνόλου των κεραυνών, προκαλούν, μόνο στις Η Π Α, 150 περίπου θανάτους τον χρόνο, ζημιές πολλών εκατομμυρίων δολαρίων και 10.000 πυρκαγιές δασών.

Οι εκκενώσεις από σύννεφο σε σύννεφο σημειώνονται πιο συχνά από ότι οι εκκενώσεις προς το έδαφος, και σχεδόν πάντοτε ξοδεύουν την ενέργεια τους με αβλαβή τρόπο. Οι κεραυνοί που πέφτουν σε αεροπλάνα είναι συνηθισμένο φαινόμενο, δεν προκαλούν όμως παρά μικρές η καθόλου ζημιές. Ο πιο διάσημος κεραυνός της σύγχρονης εποχής ήταν εκείνος που έπληξε το διαστημόπλοιο Απόλλων 12 στις 14 Νοεμβρίου 1969, καθώς ο πύραυλος Κρόνος που το μετέφερε περνούσε μέσα από τα σύννεφα που κάλυπταν το Ακρωτήριο Κένεντυ. Ευτυχώς δεν υπήρξε καμιά σοβαρή ζημιά.

Η αγωγιμότητα των αερίων

Ο κεραυνός είναι το γνωστότερο και εντονότερο από τα φαινόμενα αγωγιμότητας των αερίων. Ένα αέριο, για να καταστεί αγωγός, πρέπει μέσα στη μάζα του να υπάρχουν φορείς του ηλεκτρισμού, δηλαδή ελεύθερα ηλεκτρόνια ή ιόντα.

Αν εφαρμοστεί ηλεκτρικό πεδίο μέσα στο αέριο, τότε τα ηλεκτρόνια και τα αρνητικά ιόντα κινούνται προς το θετικό ηλεκτρόδιο, τα θετικά ιόντα προς το αρνητικό ηλεκτρόδιο και έτσι παράγεται ηλεκτρικό ρεύμα.

Αν οι φορείς υπάρχουν πριν αρχίσει η διέλευση του ηλεκτρικού ρεύματος και παραμένουν σταθεροί κατά τη διάρκεια του φαινομένου η αγωγιμότητα ονομάζεται μη αυτοτελής.

Αν όμως δημιουργούνται κατά τη διάρκεια του φαινομένου, λόγω των κρούσεων των φορέων με τα ουδέτερα άτομα και μόρια, η αγωγιμότητα ονομάζεται αυτοτελής. Η αγωγιμότητα των αερίων, ιδίως όταν συνοδεύεται από φωτεινά φαινόμενα, ονομάζεται ηλεκτρική εκκένωση.

Τα φαινόμενα της αυτοτελούς αγωγιμότητας είναι πολλά και διακρίνονται σε φυσικά, όπως ο κεραυνός και το διοσκούρειο φως, και τεχνητά, όπως η φωτοβολία των λαμπτήρων αερίου (αίγλης, φθορισμού, τόξου) και οι σπινθήρες που δημιουργούνται στα διάφορα ηλεκτρικά κυκλώματα.

Μια μορφή αυτοτελούς εκκένωσης είναι η στεμματόμορφη εκκένωση και η εκκένωση θυσάνου. Η στεμματόμορφη εκκένωση εμφανίζεται στον αέρα, στη συνήθη πίεση και θερμοκρασία, όταν η ένταση του πεδίου γύρω από έναν αγωγό (ανομοιογενές πεδίο) είναι πολύ μεγάλη (δεκάδες χιλιάδες Volt) και το διερχόμενο ρεύμα πολύ μικρό. Έχει μορφή φωτεινής στιβάδας με αμυδρό φως που περιβάλλει τον αγωγό.

Αν η ένταση του πεδίου γίνει ακόμη μεγαλύτερη, η εκκένωση παίρνει τη μορφή θυσάνου. Στα φαινόμενα αυτά ανήκει και το διοσκούρειο φως που μερικές φορές, κατά τη διάρκεια καταιγίδας, εμφανίζεται στις αιχμηρές απολήξεις μεγάλων αντικειμένων, όπως σε κωδωνοστάσια εκκλησιών, κατάρτια πλοίων, κορυφές δένδρων, πτέρυγες αεροπλάνων ή ακόμη και σε κορυφές βουνών. Το διοσκούρειο φως συνδέεται με διάφορες παραδόσεις και ήταν γνωστό από την αρχαιότητα, από όπου προέρχεται και η ονομασία του.

Αν η τάση μεταξύ δύο ηλεκτροδίων αυξηθεί πάνω από την απαιτούμενη για τη δημιουργία θυσάνου, ξαφνικά αναπτύσσεται μια φωτεινή φλέβα, ο σπινθήρας, που γεφυρώνει στιγμιαία τα ηλεκτρόδια. Αν η φόρτιση των ηλεκτροδίων εξακολουθεί, επαναλαμβάνεται ο σπινθήρας. Ειδική περίπτωση σπινθήρα αποτελεί ο κεραυνός.

Τέλος, μια μη αυτοτελής αγωγιμότητα υπάρχει διαρκώς στον ατμοσφαιρικό αέρα, όπου οι φορείς του ηλεκτρισμού (ελεύθερα ηλεκτρόνια και ιόντα) σχηματίζονται από την κοσμική* ακτινοβολία και τις ακτινοβολίες των ραδιενεργών στοιχείων της Γης, οι οποίες διαρκώς ιονίζουν ελαφρά τον αέρα. Οι φορείς κινούνται αργά κατά μήκος των κατακόρυφων δυναμικών γραμμών του ηλεκτρικού πεδίου, το οποίο, όταν επικρατεί καλός καιρός, έχει ένταση περίπου 100 Volt/cm. Το έδαφος είναι ως γνωστόν αρνητικά φορτισμένο, ενώ στην ατμόσφαιρα υπάρχουν θετικά φορτία. Η προέλευση του πεδίου αυτού δεν είναι ακριβώς γνωστή.

Η μελέτη του κεραυνού

Με την εμφάνιση των καταιγιδοφόρων νεφών τύπου σωρειτομελανία (cumulonibus), η ηλεκτρική κατάσταση της ατμόσφαιρας και του εδάφους αλλάζει ριζικά.

Ο σωρειτομελανίας δρα σαν μια τεράστια ηλεκτροστατική μηχανή, επειδή στο εσωτερικό του επικρατούν ισχυρά ρεύματα, κυρίως ανοδικά και καθοδικά. Φορείς των ηλεκτρικών φορτίων είναι οι σταγόνες και οι παγοκρύσταλλοι.

Σύντομα η διαφορά δυναμικού μεταξύ της βάσης και της κορυφής του νέφους, που αρχικά υπάρχει λόγω του γήινου ηλεκτρικού πεδίου, παίρνει πολύ μεγάλες τιμές και ξεσπά ο κεραυνός μεταξύ νέφους και εδάφους, όπου ήδη έχουν συγκεντρωθεί επαγωγικά μεγάλα ηλεκτρικά φορτία, ή μεταξύ δύο νεφών ή μέσα στο ίδιο το νέφος. Συνήθως θετικά φορτισμένη είναι η βάση του νέφους και αρνητικά το έδαφος, αλλά μπορεί να συμβεί και το αντίθετο, ή ακόμη να γίνει ταχύτατη εναλλαγή πολικότητας κατά τη διάρκεια του φαινομένου.

Η διαφορά δυναμικού κατά την έκρηξη του κεραυνού είναι εκατοντάδες εκατομμύρια Volt και το ρεύμα που διέρχεται από τη φλέβα του σπινθήρα είναι δεκάδες χιλιάδες Αmperes. Το μήκος του κεραυνού μπορεί να φθάσει αρκετά χιλιόμετρα και έχει τεθλασμένη ή κυματοειδή μορφή, ενώ το πλάτος της φλέβας του σπινθήρα είναι μικρό, μέχρι μερικές δεκάδες εκατοστόμετρα.

Η διάρκεια του κεραυνού είναι μικρή, μερικά δέκατα του δευτερολέπτου, αλλά μέσα στο διάστημα αυτό δημιουργούνται πολλοί διαδοχικοί σπινθήρες με μικρή μετατόπιση στην τροχιά τους. Η θερμοκρασία που αναπτύσσεται μέσα στη φλέβα είναι πολύ μεγάλη, της τάξης των 10.000 °C και δημιουργεί έντονο ιονισμό και διέγερση των αερίων της ατμόσφαιρας, τα οποία φωτοβολούν για όσο διάστημα διαρκεί η εκκένωση (αστραπή).

Η μεγάλη θέρμανση του αέρα και η εκτόνωση του δημιουργεί έντονο κρότο (βροντή). Επειδή το φως διαδίδεται ασυγκρίτως ταχύτερα από τον ήχο, αν μετρηθεί το χρονικό διάστημα που μεσολαβεί μεταξύ της αστραπής και της βροντής μπορεί να προσδιοριστεί κατά προσέγγιση η απόσταση του τόπου παρατήρησης από την περιοχή πτώσης του κεραυνού.

Μορφολογικά οι κεραυνοί διακρίνονται στους συνήθεις γραμμικούς, που μπορεί να είναι κυματοειδείς, διακλαδιζόμενοι, διακεκομμένοι, κομβοειδείς κτλ. και στους πολύ σπάνιους σφαιροειδείς.