Πέμπτη, 7 Ιουνίου 2012

Κεραυνοί και Βροντές - Μέρος Α

Έχοντας ολοκληρώσει την περιήγηση μας στον θαυμαστό κόσμο των καταιγίδων, το αμέσως επόμενο φυσικό φαινόμενο που μοιραία τραβάει την προσοχή μας είναι οι κεραυνοί και οι βροντές. Δύο φαινόμενα που συνδέονται άρρηκτα με τις καταιγίδες και τα οποία δεν έχουν ακόμη κατανοηθεί πλήρως.
Με απλά λόγια, ο κεραυνός (ή αστραπή) είναι μία ηλεκτρική εκκένωση, ένας γιγαντιαίος σπινθήρας, που τυπικά παρατηρείται σε ώριμες καταιγίδες. Οι κεραυνοί μπορούν να σημειωθούν μέσα σε ένα νέφος, από νέφος σε νέφος, από ένα νέφος στον αέρα ή από ένα νέφος στο έδαφος. Αξιοσημείωτο είναι το γεγονός πως η πλειοψηφία των κεραυνών παρατηρούνται μέσα στα νέφη, ενώ μόλις ένα 20% παρατηρείται μεταξύ νεφών και εδάφους. Το χτύπημα ενός και μόνου κεραυνού είναι ικανό να θερμάνει τον αέρα δια μέσω του οποίου κινείται μέχρι την απίστευτη θερμοκρασία των 30,000 οC, θερμοκρασία η οποία είναι 5 φορές υψηλότερη από αυτήν της επιφάνειας του ήλιου. Αυτή η ακραία θέρμανση προκαλεί την εκρηκτική διαστολή του ατμοσφαιρικού αέρα, οπότε δημιουργείται ένα «υπόκωφο» ηχητικό κύμα που ταξιδεύει προς όλες τις διευθύνσεις και ονομάζεται βροντή (μπουμπουνητό).
Εξαιτίας της μεγάλης ταχύτητας με την οποία ταξιδεύει το φως (~300,000 m/s), η θέαση του κεραυνού λαμβάνει χώρα σχεδόν ταυτόχρονα με τη δημιουργία του. Στον αντίποδα, ο ήχος ταξιδεύει με την πολύ μικρότερη ταχύτητα των περίπου 340 m/s, οπότε μεταξύ της θέασης ενός κεραυνού και του ακούσματος της βροντής παρεμβάλλεται σημαντικός χρόνος. Μετρώντας το χρόνο μεταξύ της θέασης ενός κεραυνού και του ακούσματος της αντίστοιχης βροντής, μπορούμε να υπολογίσουμε την απόσταση μας από το σημείο πτώσης του κεραυνού. Για παράδειγμα, εάν δούμε έναν κεραυνό και ακούσουμε τη βροντή 15 sec αργότερα, η απόσταση μας από το σημείο πτώσης του κεραυνού είναι περίπου 5.1 km (προκύπτει πολύ απλά, εφαρμόζοντας την εξίσωση της ευθύγραμμης ομαλής κίνησης, x=υ*t, για τον ήχο).
Όταν η πτώση ενός κεραυνού σημειώνεται σε πολύ κοντινή μας απόσταση (<100 m), αρχικά ακούγεται ένας ήχος που μοιάζει με σπάσιμο και ακολουθεί ο βίαιος ήχος της βροντής. Όταν το σημείο πτώσης του κεραυνού είναι αρκετά μακριά, τότε η βροντή ακούγεται περισσότερο σαν υπόκωφο βουητό. Αυτό μπορεί να συμβαίνει εξαιτίας της εκπομπής των αντίστοιχων ηχητικών κυμάτων από διαφορετικές περιοχής του κεραυνού. Επιπρόσθετα, το υπόκωφο αυτό βουητό μπορεί να οξύνεται εξαιτίας της αλληλεπίδρασης των ηχητικών κυμάτων με τα εμπόδια (π.χ. βουνά, λόφοι, κτίρια) που παρεμβάλλονται μεταξύ του παρατηρητή και του σημείου πτώσης του κεραυνού.
Σε ορισμένες περιπτώσεις, είναι δυνατόν να παρατηρηθεί κάποιος κεραυνός αλλά να μην ακουστεί καμία βροντή. Στην πραγματικότητα ωστόσο η βροντή δημιουργείται, αλλά η ατμόσφαιρα διαθλά και εξασθενεί τα ηχητικά κύματα ώστε αυτά καθίστανται τελικά μη ακουόμενα. Τα ηχητικά κύματα ταξιδεύουν με μεγαλύτερη ταχύτητα στο θερμό παρά στον ψυχρό αέρα. Όπως έχουμε ήδη δει (βλ. εδώ), οι καταιγίδες δημιουργούνται σε περιοχές της ατμόσφαιρας όπου παρατηρείται αστάθεια, σε περιοχές δηλαδή όπου η θερμοκρασία μειώνεται γρήγορα με το ύψος. Έτσι, το ηχητικό κύμα που δημιουργείται από έναν κεραυνό διαθλάται συχνότερα προς τα επάνω, μακριά από έναν παρατηρητή που βρίσκεται στο έδαφος. Επομένως, ένας παρατηρητής που βρίσκεται σε απόσταση μικρότερη των 5 km από το σημείο πτώσης ενός κεραυνού ακούει συνήθως την αντίστοιχη βροντή, σε αντίθεση με έναν παρατηρητή σε απόσταση μεγαλύτερη των 15 km που δεν ακούει τίποτα.
Παρόλα αυτά, ακόμα και ένας παρατηρητής που βρίσκεται κοντά στο σημείο πτώσης ενός κεραυνού είναι δυνατό να μην ακούσει βροντή. Αυτό συμβαίνει σε ορισμένες περιπτώσεις εξαιτίας της πολύπλοκης αλληλεπίδρασης των ηχητικών κυμάτων με τα μόρια του αέρα που οδηγεί σε εξασθένιση της βροντής. Επιπρόσθετα, οι τυρβώδεις στρόβιλοι του ατμοσφαιρικού αέρα με ακτίνα μικρότερη των 50 m έχουν την τάση να διαχέουν τα ηχητικά κύματα. Με τον τρόπο αυτό, όταν η βροντή που δημιουργείται από έναν ασθενή κεραυνό ταξιδεύει αρκετά χιλιόμετρα, ο ήχος της καθίσταται συχνά μη ακουόμενος.
Ένας ήχος που συχνά εκλαμβάνεται λανθασμένα ως βροντή είναι ο κρότος που δημιουργείται από τη διάσπαση του φράγματος του ήχου (sonic boom). Ο κρότος αυτός δημιουργείται όταν ένα αεροσκάφος ξεπερνά την ταχύτητα του ήχου. Σε αυτή την περίπτωση το αεροσκάφος συμπιέζει τον αέρα, δημιουργώντας ένα «εκρηκτικό» κύμα που λαμβάνει την μορφή κώνου πίσω από αυτό. Κατά μήκος ενός τέτοιου κύματος καταγράφεται ραγδαία μεταβολή της πίεσης για μικρή απόσταση. Αυτή ακριβώς η μεταβολή της πίεσης προκαλεί τον χαρακτηριστικό κρότο.
Νωρίτερα, σημειώσαμε πως οι κεραυνοί παρατηρούνται συνήθως σε ώριμες καταιγίδες. Παρόλα αυτά, πτώση κεραυνών μπορεί επίσης να παρατηρηθεί σε καταιγίδες χιονιού, σε αμμοθύελλες, μέσα στο νέφος που εκλύεται από ένα ηφαίστειο, και σε πολύ σπάνιες περιπτώσεις μέσα σε νέφη τύπου nimbostratus (βλ. εδώ). Οι κεραυνοί είναι επίσης δυνατόν να κατευθύνονται από το νέφος προς την ανώτερη ατμόσφαιρα, δημιουργώντας περίεργα «φωτεινά βέλη» (παρατηρούνται συχνότερα από πιλότους που πετάνε πάνω από έντονες καταιγίδες).
Ποια είναι όμως η αιτία δημιουργίας των κεραυνών; Σε συνθήκες αίθριου καιρού το ηλεκτρικό πεδίο της ατμόσφαιρας χαρακτηρίζεται από μία αρνητικά φορτισμένη επιφάνεια και μία θετικά φορτισμένη ανώτερη ατμόσφαιρα. Για να δημιουργηθεί ο κεραυνός, θα πρέπει να υπάρχουν ξεχωριστές, αντίθετα φορτισμένες περιοχές μέσα σε ένα νέφος τύπου cumulonimbus (βλ. εδώ). Ο τρόπος με τον οποίο δημιουργούνται αυτές οι ξεχωριστές περιοχές δεν έχει ακόμη κατανοηθεί πλήρως. Ωστόσο, υπάρχουν διάφορες θεωρίες που επιχειρούν να δώσουν μία σχετική εξήγηση.

(Α) Εξηλεκτρισμός των νεφών
Σύμφωνα με μία θεωρία, ο εξηλεκτρισμός ενός νέφους οφείλεται στην πτώση κόκκων χιονιού (μικρά σωματίδια πάγου, αποκαλούμενα επίσης μαλακό χαλάζι) μέσα από μία περιοχή υπερκατεψυγμένων υδροσταγονιδίων και παγοκρυστάλλων. Καθώς τα υδροσταγονίδια έρχονται σε επαφή με τους κόκκους του χαλαζιού, παγώνουν ακαριαία και απελευθερώνουν λανθάνουσα θερμότητα. Η διεργασία αυτή διατηρεί την επιφάνεια των κόκκων χαλαζιού θερμότερη από τους περιβάλλοντες παγοκρύσταλλους. Όταν λοιπόν ένας θερμότερος κόκκος χαλαζιού έλθει σε επαφή με έναν ψυχρότερο παγοκρύσταλλο, λαμβάνει χώρα ένα σημαντικό φαινόμενο. Παρατηρείται μεταφορά θετικών ιόντων από το θερμότερο προς το ψυχρότερο αντικείμενο. Με τον τρόπο αυτό, ο μεγαλύτερος και θερμότερος κόκκος χαλαζιού φορτίζεται αρνητικά, ενώ ο μικρότερος και ψυχρότερος παγοκρύσταλλος φορτίζεται θετικά. Το ίδιο φαινόμενο συμβαίνει και όταν τα ψυχρότερα, υπερκατεψυγμένα υδροσταγονίδια παγώνουν ακαριαία ερχόμενα σε επαφή με τους θερμότερους κόκκους χαλαζιού, οπότε και αποσπώνται μικροσκοπικά, θετικά φορτισμένα θραύσματα πάγου. Αυτά τα ελαφρύτερα, θετικά φορτισμένα σωματίδια μεταφέρονται στα ανώτερα στρώματα του νέφους μέσω των ανοδικών ρευμάτων. Τα μεγαλύτερα, αρνητικά φορτισμένα σωματίδια (κόκκοι χαλαζιού και χιονιού) είτε παραμένουν αιωρούμενα μέσα στο ανοδικό ρεύμα, είτε πέφτουν προς τη βάση του νέφους. Μέσω αυτού του μηχανισμού, το ψυχρό ανώτερο τμήμα του νέφους καθίσταται θετικά φορτισμένο, ενώ τα μέσα στρώματα φορτίζονται αρνητικά. Το κατώτερο τμήμα του νέφους εμφανίζεται γενικά αρνητικά φορτισμένο, χωρίς να αποκλείεται η παρουσία θετικού φορτίου (κυρίως στην περιοχή όπου σημειώνεται ο υετός).
Μία εναλλακτική θεωρία για τον εξηλεκτρισμό των νεφών, προτείνει πως κατά τη διάρκεια του σχηματισμού του υετού δημιουργούνται περιοχές ξεχωριστών φορτίων μέσα στα μικροσκοπικά νεφοσταγονίδια και τα μεγαλύτερα σωματίδια του υετού. Στο ανώτερο τμήμα αυτών των σωματιδίων εντοπίζεται το αρνητικό φορτίο, ενώ το θετικό φορτίο συγκεντρώνεται στο κατώτερο τμήμα τους. Όταν ο κατακρημνιζόμενος υετός συγκρούεται με μικρότερα σωματίδια, τα μεγαλύτερα σωματίδια καθίστανται αρνητικά φορτισμένα και τα μικρότερα αποκτούν θετικό φορτίο. Στη συνέχεια, το ανοδικό ρεύμα αναλαμβάνει να μεταφέρει τα μικρότερα, θετικά φορτισμένα σωματίδια στα ανώτερα τμήματα του νέφους. Τα μεγαλύτερα, αρνητικά φορτισμένα σωματίδια είτε μεταφέρονται προς τα κατώτερα στρώματα του νέφους, είτε παραμένουν σε αιώρηση από το ανοδικό ρεύμα.

Πώς όμως δημιουργείται ο κεραυνός, αυτή η εντυπωσιακή "σπίθα" φωτός, αφού ολοκληρωθεί ο εξηλεκτρισμός ενός νέφους; Την απάντηση θα τη δώσουμε στο δεύτερο μέρος του αφιερώματος μας στο εντυπωσιακό φαινόμενο των κεραυνών.


Επιμέλεια - Σύνταξη: Θοδωρής Μ. Γιάνναρος (thgian82)

Πηγή:http://www.meteoclub.gr/

Δεν υπάρχουν σχόλια: