Δευτέρα, 2 Ιουλίου 2012

Κεραυνοί και Βροντές - Μέρος Β


Όπως είδαμε στο πρώτο μέρος του παρόντος αφιερώματος (εδώ), κατά τον εξηλεκτρισμό ενός νέφους το κατώτερο μέρους του φορτίζεταιαρνητικά. Η παρουσία αυτών των αρνητικών φορτίων στο κατώτερο τμήμα ενός νέφους οδηγεί στην επαγωγή θετικών φορτίων στην επιφάνειατης γης. Καθώς η καταιγίδα κινείται, η συγκεκριμένη θετικά φορτισμένη περιοχή της γης ακολουθεί το νέφος σα σκιά. Το θετικό φορτίο εμφανίζεται με μεγαλύτερη πυκνότητα σε αντικείμενα που προεξέχουν από την επιφάνεια όπως δέντρα, στύλοι και κτίρια. Η διαφορά φορτίου μεταξύ νέφους και επιφάνειας οδηγεί τελικά στην ανάπτυξη διαφοράς δυναμικού. Αρχικά, η δημιουργία ηλεκτρικού ρεύματος εξαιτίας αυτής της διαφοράς δυναμικού δεν είναι εφικτή, αφού ο ξηρός αέρας είναι ιδιαίτερα καλός μονωτής. Ωστόσο, καθώς η διαφορά δυναμικού σταδιακάαυξάνεται, φτάνει σε κάποιο σημείο (της τάξης του 1,000,000 Volt/m) όπου οι μονωτικές ιδιότητες του αέρα καταργούνται («σπάνε»). Σε αυτό το σημείο δημιουργείται ηλεκτρικό ρεύμα και εκδηλώνεται ο κεραυνός.
Οι κεραυνοί με κατεύθυνση από το νέφος προς το έδαφος ξεκινούν μέσα στο νέφος, όταν το τοπικό ηλεκτρικό δυναμικό ξεπεράσει την τιμή των περίπου 5,000,000 Volt/m για μια απόσταση της τάξης των 50 m (προσεγγιστικά). Η κατάσταση αυτή οδηγεί σε μια απότομη εκφόρτιση, όπουηλεκτρόνια κινούνται ταχέως προς τη βάση του νέφους και στη συνέχεια προς το έδαφος, ακολουθώντας ωστόσο μία συγκεκριμένη σειρά βημάτων (Σχ. 1a). Κάθε εκφόρτιση καλύπτει απόσταση της τάξης των 50 – 100 m, διακόπτεται απότομα για περίπου 50 εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου και συνεχίζει για άλλα 50 m. Αυτός ο «βηματικός οδηγός» (stepped leader) του κεραυνού είναι εξαιρετικά ανίσχυρος και δεν μπορεί να αναγνωριστεί από το ανθρώπινο μάτι. Καθώς όμως η άκρη του «βηματικού οδηγού» πλησιάζει το έδαφος, η βαθμίδα του δυναμικού(Volt/m) αυξάνει και ξεκινάει η ροή ενός ηλεκτρικού ρεύματος από το έδαφος (συνήθως από αντικείμενα που προεξέχουν) (Σχ. 1b). Μετά τη συνάντηση του ρεύματος αυτού με την άκρη του «βηματικού οδηγού», ένας μεγάλος αριθμός ηλεκτρονίων αρχίζει να κατευθύνεται προς τονέφος δημιουργώντας τώρα ένα πολύ μεγαλύτερο και φωτεινότερο «χτύπημα» επιστροφής (return stroke), με διάμετρο λίγων εκατοστών, το οποίο κινείται βίαια προς το νέφος ακολουθώντας την τροχιά του «βηματικού οδηγού». Έτσι, η προς τα κάτω ροή των ηλεκτρονίων δημιουργεί τοφωτεινό κανάλι του προς τα πάνω κινούμενου ηλεκτρικού ρεύματος. Παρά το γεγονός πως το «χτύπημα» επιστροφής (επί της ουσίας οκεραυνός) δημιουργείται με φορά από την επιφάνεια της γης προς το νέφος, εντούτοις συμβαίνει τόσο γρήγορα που το ανθρώπινο μάτι δεν μπορεί να διακρίνει τη φορά της κίνησης. Αντίθετα, αυτό που γίνεται αντιληπτό είναι μία συνεχής λάμψη φωτός.

Σχήμα 1. Η ανάπτυξη ενός κεραυνού. (a) Όταν το αρνητικό φορτίο κοντά στη βάση του νέφους λάβει τιμές ικανές να υπερνικήσουν την αντίσταση του αέρα, ξεκινάει η ροή ηλεκτρονίων (ο "βηματικός οδηγός") προς την επιφάνεια της γης, (b) Καθώς τα ηλεκτρονία πλησιάζουν στο έδαφος, θετικά φορτία αρχίζουν να κινούνται προς το νέφος, συνήθως μέσω αντικειμένων που προεξέχουν από την επιφάνεια, (c) Όταν τα κατερχόμενα αρνητικά φορτιά συναντήσουν τα ανερχόμενα θετικά φορτία, δημιουργείται ένα ισχυρό ηλεκτρικό ρεύμα ("χτύπημα" επιστροφή) που μεταφέρει με βίαιο τρόπο θετικά φορτία προς την αρνητικά φορτισμένη βάση του νέφους. (Πηγή: Ahrens, D. Meteorology Today, 2009)

Σε ορισμένες περιπτώσεις παρατηρείται ένα μόνο «χτύπημα» κεραυνού, αλλά πολύ συχνότερα η διαδικασία του «βηματικού οδηγού»-«χτυπήματος» επιστροφής επαναλαμβάνεται πολλές φορές (κάθε περίπου 1/400 sec) κατά μήκος του ίδιου ιονισμένου καναλιού. Ο «οδηγός» που δημιουργείται σε αυτή την περίπτωση, αποκαλούμενος συχνά «οδηγός βέλους» (dart leader), ακολουθεί μέσα στο νέφος την ίδια πορεία με τον αρχικό «βηματικό οδηγό». Παρόλα αυτά, κινείται προς το έδαφος με μεγαλύτερη ταχύτητα αφού η ηλεκτρική αντίσταση του καναλιού κίνησης είναι τώρα χαμηλότερη. Καθώς ο «οδηγός» πλησιάζει στο έδαφος, ένα μικρότερης ενέργειας «χτύπημα» επιστροφής δημιουργείται από το έδαφος προς το νέφος. Κατά κανόνα, κάθε κεραυνός συνοδεύεται από 3 ή 4 «οδηγούς», κάθε ένας από τους οποίους ακολουθείται από αντίστοιχα «χτυπήματα» επιστροφής. Οι κεραυνοί που απαρτίζονται από πολλά «χτυπήματα» έχουν συνήθως διάρκεια μικρότερη του 1 sec, οπότε είναι δύσκολο για το ανθρώπινο μάτι να αντιληφθεί το πλήθος των «χτυπημάτων» ενός και μόνο κεραυνού.
Οι κεραυνοί που περιγράψαμε στο παρών αφιέρωμα αποκαλούνται ορισμένες φορές και αρνητικοί κεραυνοί νέφους-εδάφους, διότι μεταφέρουν αρνητικά φορτία από το νέφος προς την επιφάνεια της γης. Το 90% περίπου των κεραυνών νέφους-εδάφους ανήκουν στη συγκεκριμένη κατηγορία. Παρόλα αυτά, υπάρχει και η κατηγορία των θετικών κεραυνών νέφους-εδάφους, οι οποίοι εκδηλώνονται όταν η βάση ενός νέφουςείναι θετικά φορτισμένη και η επιφάνεια της γης αρνητικά. Οι κεραυνοί αυτής της κατηγορίας εμφανίζονται περισσότερο συχνά στιςυπερκύτταρες καταιγίδες (εδώ) και μπορούν να προκαλέσουν μεγάλες καταστροφές αφού συνοδεύονται από ένα μεγαλύτερο ηλεκτρικόρεύμα και έχουν μεγαλύτερη διάρκεια από τους αντίστοιχους αρνητικούς κεραυνούς.

Με το δεύτερο αυτό μέρος, ολοκληρώθηκε το αφίερωμα στους κεραυνούς και τις βροντές. Σε συνδυασμό με το εκτενέστερο αφιέρωμα στις καταιγίδες, θεωρώ πως μπορεί να αποτελέσει μία πρώτη βάση μελέτης για όλους τους "καιρόφιλους" και λάτρεις αυτών των εντυπωσιακών θερινών φαινομένων.


Επιμέλεια - Σύνταξη: Θοδωρής Μ. Γιάνναρος (thgian82)

Πηγή:http://www.meteoclub.gr

Δεν υπάρχουν σχόλια: