Ατμοσφαιρικός ηλεκτρισμός
Μέρος 4ο

Άρθρο, Νοέμβριος 2003

1ο, 2o, 3o, 4o, Επόμενο

Κίνδυνος από κεραυνούς

Η πτώση των κεραυνών συμβαίνει στα υπερυψωμένα σημεία του εδάφους όπου, εξαιτίας της πύκνωσης των δυναμικών γραμμών, το ηλεκτρικό πεδίο έχει τις μεγαλύτερες τιμές.

Μεγάλα δένδρα, υψηλά κτίρια, καπνοδόχοι, σκάφη που πλέουν στη θάλασσα, ακόμη και κολυμβητές, αποτελούν σημεία έλξης των κεραυνών. Συχνά τα θύματα δεν πλήττονται άμεσα από τον κεραυνό, αλλά από τα ισχυρά επαγωγικά ρεύματα που δημιουργούνται στην περιοχή πτώσης του.

Κατά τη διάρκεια μιας καταιγίδας μπορεί να ξεσπάσουν κεραυνοί ανάμεσα σε διαφορετικά σύννεφα, μέσα στο ίδιο σύννεφο, ανάμεσα σε ένα σύννεφο και στον αέρα ή από ένα σύννεφο προς το έδαφος. 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 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 Kenedy. Ευτυχώς δεν υπήρξε καμιά σοβαρή ζημιά.

Κανόνες αποφυγής της κεραυνοπληξίας είναι η απομάκρυνση από υψηλά και μεμονωμένα αντικείμενα, π.χ. δένδρα, την ώρα της καταιγίδας και η αποφυγή της επαφής με μεταλλικά αντικείμενα. Αποτελεσματική προστασία από τους κεραυνούς δίνει το αλεξικέραυνο με το οποίο πρέπει να εφοδιάζονται τα υψηλά και απομονωμένα κτίρια.

Το αλεξικέραυνο αποτελείται από μία ή περισσότερες μεταλλικές ανοξείδωτες αιχμές, στερεωμένες σε μεταλλική ράβδο που προεξέχει από το υψηλότερο σημείο του κτιρίου. Η ράβδος γειώνεται με χονδρό χάλκινο καλώδιο συνδεόμενη με μια μεγάλη χάλκινη πλάκα, κατάλληλα τοποθετημένη μέσα στο έδαφος. Στις ακίδες των σύγχρονων αλεξικέραυνων τοποθετείται μικρή ποσότητα ραδιενεργού υλικού, η οποία δημιουργεί ιονισμό στον αέρα και, συνεπώς, αύξηση της αγωγιμότητας του.

Με την προσέγγιση ηλεκτροφόρου νέφους, το αλεξικέραυνο δρα στην αρχή προληπτικά, γιατί στην κορυφή του δημιουργείται εκκένωση θυσάνου, η οποία εκφορτίζει το έδαφος. Αν παρ' όλα αυτά η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου παραμένει υψηλή και πέσει ο κεραυνός, τότε το ισχυρότατο ρεύμα του διέρχεται από τη «γραμμή» της καλύτερης αγωγιμότητας, που είναι πρώτα η ιονισμένη από την προηγηθείσα εκκένωση περιοχή του αέρα πάνω από το αλεξικέραυνο και στη συνέχεια ο αγωγός του αλεξικέραυνου, μέχρι την απορρόφηση του από το έδαφος. Ικανοποιητική προστασία παρέχει το αλεξικέραυνο σε απόσταση από τη βάση του περίπου διπλάσια του ύψους του.

Με ειδικά αλεξικέραυνα εφοδιάζονται πάντοτε και οι εναέριες γραμμές μεταφοράς ηλεκτρικού ρεύματος ώστε, όταν πληγούν άμεσα ή επαγωγικά από κεραυνό, να μην αυξηθεί υπερβολικά η τάση στο δίκτυο και επακολουθήσουν καταστροφές.

Υπολογίζεται ότι σε όλη τη Γη πέφτουν περίπου 100 κεραυνοί το δευτερόλεπτο. Η ισχύς που παράγεται είναι τεράστια, της τάξης των 4 Θνν αλλά η πρακτική αξιοποίηση της είναι αδύνατη εξαιτίας της πολύ μικρής διάρκειας και του απρόβλεπτου γενικά χαρακτήρα του φαινομένου. Οι κεραυνοί, με τα αρνητικά, κατά κανόνα, φορτία που μεταφέρουν στο έδαφος, συμβάλλουν στη διατήρηση του γήινου ηλεκτρικού πεδίου, σε αντίθεση με τη διαρκή αγωγιμότητα του αέρα που τείνει να το εξουδετερώσει.

Είδη κεραυνών

Οι κεραυνοί ξεσπούν επειδή μέσα στα σύννεφα παράγονται, με διαδικασίες διαχωρισμού των ηλεκτρικών φορτίων, περιοχές που έχουν αμιγώς ένα μόνο είδος φορτίου, πράγμα που δίνει στα σύννεφα μια δομή ηλεκτρικού δίπολου (όπως το μαγνητικό δίπολο της Γης, με το ένα άκρο θετικό και το άλλο αρνητικό).

Ένα καθαρό θετικό φορτίο τοποθετείται σε ύψος δέκα χιλιομέτρων (όπου η θερμοκρασία είναι περίπου -45°) και ένα καθαρό αρνητικό φορτίο στα πέντε χιλιόμετρα (-15°). Και τα δύο φορτία έχουν το ίδιο μέγεθος, συνήθως 40 κουλόμπ. Ένα μικρότερο θετικό φορτίο υπάρχει σε ύψος δύο χιλιομέτρων (+ 5°). Η διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού ανάμεσα στο σύννεφο και το έδαφος είναι της τάξης των 10⁸ βολτ (εκατό εκατομμύρια βολτ). Στην περίπτωση αυτή το φορτίο επικάθεται σε σωματίδια πάγου η σε σταγόνες νερού ή και στα δύο. Οι ηλεκτρικές εκκενώσεις μπορούν να ξεσπάσουν μεταξύ οποιωνδήποτε αντίθετα φορτισμένων περιοχών, ή ανάμεσα στο σύννεφο και στον περιβάλλοντα αέρα.

Μελέτη των κεραυνών

Οι κεραυνοί παύουν να αποτελούν μυστήριο, καθώς ο μηχανισμός δημιουργίας τους γίνεται όλο και πιο κατανοητός. Οι κεραυνοί που ξεσπούν ανάμεσα στα σύννεφα και στο έδαφος μπορούν να μελετηθούν ευκολότερα, γιατί δεν υπάρχει ασάφεια ως προς την πηγή τους.

Το φως των αστραπών μπορεί να φωτογραφηθεί και να αναλυθεί φασματοσκοπικά, ώστε να καθοριστούν οι φυσικές ιδιόκτητες του κεραυνού, όπως η ταχύτητα, η θερμοκρασία και η πίεση του.

Τα ισχυρά ρεύματα που διατρέχουν τον κεραυνό παράγουν χρονικώς μεταβαλλόμενα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία, τα χαρακτηριστικά διαγράμματα των οποίων αποκαλύπτουν την κίνηση του ηλεκτρικού φορτίου.

Κεραυνοί που πέφτουν πάνω σε πύργους εξοπλισμένους με κατάλληλα όργανα επιτρέπουν τη μέτρηση του μεγέθους των ρευμάτων που δημιουργούνται μέσα στους κεραυνούς, ενώ η βροντή που συνοδεύει κάθε κεραυνό έχει ένα φάσμα ηχητικής ενέργειας που μπορεί να σχετιστεί προς την ενέργεια ανά μονάδα μήκους του κεραυνού

. Όλες αυτές οι μετρήσεις, σε συνδυασμό με εργαστηριακά δεδομένα από ανάλογους ηλεκτρικούς σπινθήρες, παρέχουν πληροφορίες για τα φυσικά χαρακτηριστικά των κεραυνών και των φαινομένων που τους συνοδεύουν. Οι γνώσεις αυτές, με τη σειρά τους, βοηθούν στη μείωση των θανάτων και των ζημιών που οφείλονται στους κεραυνούς.

Οι φασματοσκοπικές μετρήσεις αποκαλύπτουν ότι τα μόρια του αέρα, και κυρίως το άζωτο, το οξυγόνο και οι υδρατμοί, διασπώνται στα αντίστοιχα άτομα και ότι από κάθε άτομο απομακρύνεται κατά μέσο όρο ένα ηλεκτρόνιο.

Η μετατροπή των μορίων του αέρα σε απλά ιοντισμένο πλάσμα σημειώνεται μέσα σε μερικά χιλιοστά του δευτερολέπτου. Στον χρόνο αυτό, η θερμοκρασία του πλάσματος είναι τουλάχιστον 30.000 Κ και η πίεση του μεγαλύτερη από δέκα ατμόσφαιρες.

Η υψηλή πίεση ξεπερνά κατά πολύ την πίεση του περιβάλλοντος. Ο δίαυλος της επιστρέφουσας εκκένωσης εκτονώνεται με υπερηχητική ταχύτητα και το κρουστικό κύμα μετατρέπεται σε ηχητικό, στη βροντή που ακούμε.

Υπολογίζεται ότι το 1% της ενέργειας καταναλώνεται στα μόρια και λιγότερο από 1% εκπέμπεται ως ακτινοβολία στην ορατή και την υπερέρυθρη περιοχή (4.000 ως 11.000 Α, όπου 1 Α = 10^-8 εκατοστόμετρα). Συνεπώς το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας πιθανότατα μετατρέπεται σε ενέργεια εκτόνωσης του διαύλου, μια διαδικασία που δεν διαρκεί περισσότερο από 10 ως 20 εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου.

Νέες μορφές κεραυνών

Τα τελευταία χρόνια αναγνωρίστηκαν και καταγράφηκαν κεραυνοί περίεργων σχημάτων. Όπως αυτοί που παρατηρήθηκαν το 2002 για πρώτη φορά από Ταϊλανδούς ερευνητές και είχαν μήκος 100 χιλιομέτρων, που ξεκινούσαν από τα σύννεφα και κατευθύνονται ανοδικά προς την ιονόσφαιρα.

Είχαν σχήμα διακλαδώσεων δέντρου και διαρκούσαν λιγότερο από ένα δευτερόλεπτο. Η εμφάνισή τους συνοδευόταν από εκπομπή ραδιοκυμάτων χαμηλής συχνότητας, η οποία ίσως δημιουργεί παρεμβολές στις ραδιοεπικοινωνίες.

Τη δεκαετία του 1990 ανακαλύφθηκε ένα άλλο είδος κεραυνών, οι μπλε πίδακες (blue jets), οι οποίοι επίσης εκτείνονται προς τα πάνω αλλά σε μικρότερο μήκος και εύρος.

Λίγα χρόνια νωρίτερα, το 1989, ερευνητές είχαν ανακαλύψει τα «ξωτικά» (sprites), ένα είδος κεραυνού λιγότερο ισχυρού από αυτόν που καταγράφηκε στην Ταϊβάν, ο οποίος ξεκινά σε υψηλά στρώματα της ατμόσφαιρας και κινείται έως και 50 χιλιόμετρα καθοδικά προς τα σύννεφα.