Gorazd Novak

SEMINARSKA NALOGA PRI PREDMETU FIZIKA II

( poletni semester šolskega leta 1998/99 )

NEVIHTA

 

Atmosfera je veličasten električen stroj. Najbolj spektakularna manifestacija električnega delovanja v ozračju pa je zagotovo nevihta, ki predstavlja nekakšen elektrostatični generator, ki pošilja negativni naboj proti tlem in pozitivnega v višje plasti atmosfere.

V atmosferi vedno obstaja bolj ali manj močno električno polje.

V mirnem vremenu je jakost električnega polja v spodnjih plasteh atmosfere v poprečju okrog 130 V/ m, in to tako, da je zrak pozitivno naelektren, tla pa so glede nanj negativna. To mirno stanje dejansko generirajo nevihte.

Oglejmo si to nekoliko natančneje; naša dejanska situacija je sledeča: imamo negativno nabita tla in visoko v atmosferi pozitivni naboj. V primeru nevihte se nekje med tema dvema nivojema ustvari nevihtni oblak. Ta oblak je na dnu negativno, proti vrhu pa pozitivno nabit, vendar je omenjeni negativni naboj v oblaku toliko bolj negativen od enako predznačenega naboja tal, da postanejo tla glede nanj relativno pozitivna. Zdaj lahko pride do strele in ti pojavi kot rečeno generirajo, tj. nekako 'polnijo' normalno mirno stanje z 130 V/m električnega polja, ki vlada v ozračju potem, ko nevihta mine.

Ob nevihtah se jakost električnega polja močno poveča - vse do jakosti 3 MV / m! Takrat postane zrak zaradi ionizacije močno prevoden in nastopi skoraj trenutno razelektrenje, ki ga poznamo kot blisk ali strelo.

Ker so razdalje med oblaki ali med oblaki in tlemi velikostnega reda kilometra, so napetosti v nevihtnih oblakih pred bliskom milijarde voltov.

Nevihta je skupek precej intenzivnih vremenskih procesov in je vezana na oblak cumulonimbus, osnova zanjo pa je labilno ozračje.

Nevihte so namreč velikanski toplotni stroji – njihov toplotni rezervoar je izparilna toplota, shranjena v vodni pari. V nevihtnem oblaku se s kondenzacijo sproščajo velike količine energije. Nevihte torej dobijo glavnino energije od kondenzirane vodne pare. Latentna toplota vodne pare se namreč pretvarja v druge oblike, kot na primer v kinetično ( posledica je nastanek vetrov ) in električno ( zaradi česar se pojavljajo električna polja in bliski ).

V poprečju zajemajo nevihte v premeru nekaj kilometrov. Če da nevihta na področju 5 X 5 km 20mm padavin, kar je nekaj poprečnega, pomeni to, da se je v oblaku kondenziralo nad pol milijona ton vode. Glede na latentno toploto kondenzacije 2,5 MJ / kg predstavlja to 1,26 X 1o9 MJ ali 350 milijonov kWh; to pa je energija, enakovredna 15 "klasičnim" atomskim bombam!

Nevihte niso enotni sistemi, ampak so razdeljene v posamezne horizontalne celice. Te celice so zaključene enote sistema, znotraj katerih prihaja do vertikalnih gibanj zraka in vseh osnovnih procesov nevihte. Omenjena gibanja lahko dosežejo vertikalno hitrost, ki znaša več deset m/s , kar omogoča med drugim tudi tvorjenje debelih zrn toče, močna električna polja, bliske in nalive z intenziteto nekaj mm padavin na minuto ter rušilne vetrovne sunke s hitrostjo do 300 km/h ( v primeru tornada ).

Za razlago, kako nastanejo v nevihtnih oblakih tako velikanske napetosti, obstaja več teorij, ki vpeljujejo v razlago različne mehanizme.

Navadno deluje več procesov hkrati, ki povzročijo, da je v oblikovanem nevihtnem oblaku pozitivni naboj zgoščen v vrhnjem delu, negativni pa ob dnu oblaka. Odgovor na to, kako se ti naboji ustvarijo in razporedijo, ostaja precejšnja skrivnost.

Za naelektritev delcev in njihovo razporeditev so ( domnevno ) odločilna močna vertikalna gibanja v nevihtnih celicah. Ta gibanja povzročijo trenje med delci, razpadanje naelektrenih kapljic, združevanje kapljic ipd. K temu prispevajo še procesi ob zmrzovanju, prekristalizaciji in taljenju ledenih kristalčkov.

Ustrezno kopičenje in razmestitev pozitivno in negativno naelektrenih delcev (ionov) ustvarja električna polja, ki te procese še pospešujejo.

 

BLISK, STRELA

Za začetek bliska zadostuje, da je električno polje zelo veliko na samo majhnem področju blizu oblaka; ko se plaz elektronov sproži, napreduje v predele z manjšim električnim poljem.

Razelektritev v obliki strele se lahko pojavi med nasprotnima nabojema v oblaku, med oblakom in čistim zrakom, ali pa med nevihtnim oblakom in tlemi.

V močnem električnem polju se prične zrak sam ionizirati in postane za elektriko delno prevoden. Kadar pa napetost v horizontalni smeri ali proti tlem dovolj naraste, si prične strela utirati pot v tej smeri. Pri tem ionizira zrak pred seboj in se v cik-caku po poti najmanjšega upora prebije do tal.

Zaporedje dogodkov v streli se odvija prehitro, da bi ga mogli razločiti s prostim očesom. S tehnikami izredno hitrega fotografiranja pa so uspeli pojav vendarle nekoliko podrobneje analizirati.

Tipičen primer strele med nevihtnim oblakom in tlemi se začne s plazom elektronov v zelo visokem električnem polju blizu središča negativnega naboja v oblaku. Omenjeni plaz pušča pri svojem premikanju navzdol kanal ioniziranega zraka. Elektroni iz oblaka stečejo v ta kanal in mu s tem dajejo negativni naboj. Zgostitev negativnega naboja blizu vrha kanala generira močno električno polje, ki pritiska plaz naprej v smeri navzdol.

Ugotovili so, da blisk ne napreduje gladko, temveč postopno, v korakih dolžine približno 50m z vmesnimi presledki, ki trajajo približno 50μs.

Prvi razelektritvi hitro sledijo tudi druge, vse skupaj pa vidimo kot blisk, ki traja manj kot pol sekunde.

Ko se prednji del kanala približa tlem, njegovo veliko električno polje sproži razelektritev s tal ali predmeta na tleh. Tako ustvarjena navzgor gibajoča razelektritev se sreča s kanalom 20 do 100m nad tlemi. V trenutku spojitve je tokokrog med oblakom in tlemi sklenjen in negativni naboj lahko steče iz oblaka v tla z malo upora.

Najprej pridejo na vrsto elektroni na dnu kanala: odtečejo v tla in ustvarjajo velik tok. Sledijo jim elektroni iz zaporedno višjih plasti, zato se ustvari nekakšna fronta odtoka, ki se premika navzgor proti nevihtnemu oblaku. Ta fronta je čelni del nekakšne cevi izredno visokega toka, ki se vije proti oblaku s hitrostjo, ki je enaka polovični hitrosti svetlobe! Ta cev je t.i. povratni udar. Izredno visok tok segreje zrak in tvori se blisk svetlobe, ki ga vidimo kot strelo. Polmer omenjene cevi toka je majhen: sega od manj kot 1cm do nekaj cm.

Skoraj v 90% bliskov med oblaki in tlemi gre za t.i. vodilni blisk iz negativnega oblaka v relativno pozitivna tla.

Najvišja jakost toka pri blisku znaša od10 000 do 20 000 amperov.

Zato je razumljivo, da lahko blisk povzroči veliko škodo. Vsako leto postane žrtev bliska več sto ljudi, je pa treba ob tem upoštevati, da je bliskov na Zemlji vsako sekundo nekaj tisoč.

Razlika potenciala med bazo oblaka in tlemi znaša tudi do približno 100 milijonov V, energija, sproščena v kanalu strele pa je približno enaka 10 milijardam J. Večinoma se pretvori v toploto ( Joule-ova toplota ), nekaj pa je gre v svetlobo in radijske valove. Energija električnega polja se torej pri blisku pretvarja v svetlobo, v toploto in energijo zvočnih ter drugih valov. Omenjeni dolgi elektromagnetni valovi, ki nastajajo ob bliskih, povzročajo motnje pri radijskih sprejemih.

 

V ioniziranem kanalu strele se zrak močno segreje ( 30 000 K ) in trenutno razširi. To povzroči v zraku ( zardi povečanega pritiska ) močan kompresijski val, ki ga naše uho zazna kot rezek pok, če je strela udarila blizu. Kompresijski val se odbija od tal in od različnih zračnih plasti ter pride do naših ušes iz večje razdalje kot značilno bobnenje in grmenje. Grmenja na več kot 20 km navadno ne slišimo več, medtem ko se bliskanje vidi tudi do 200 km daleč. Temu pojavu pravimo bliskavica.

 

 

 

TABELA NEKATERIH OSNOVNIH PODATKOV O STRELI:

- dolžina posameznega koraka napredovanja strele: 50m

- interval med koraki: 50μs

- hitrost napredovanja koraka: 1,5 x 105 m/s

- hitrost povratnega udara: 5 x 107 m/s

- največji tok: 20 000 A

- napetost med oblakom in tlemi: 100 milijonov V

- število udarov v posamezni streli: 3 do 5

- trajanje bliska: 0.2 s

 

 

 

 

Literatura:






SLIKE


Nenavaden detajl na sliki je par navzgor usmerjenih razelektritev: ena poteka z vrha drevesa nekoliko na levo ob glavnem blisku, druga pa teče z vrha televizijske antene.

Do takih razelektritev prihaja v primeru vodilnega bliska ( tj. strela iz negativnega oblaka v relativno pozitivna tla )





Vzorec na zelenici priča o točki udara strele.

Nasploh so igralci golfa vabljive tarče za strele. Pogosto je namreč za njih usodno, da stojijo na odprtem terenu poleg ali preblizu svojih kovinskih palic, ali da se zatekajo pod drevesa.





Nekakšna peščena veja lahko nastane v primeru, ko strela udari v peščena tla. Ko se strela razveji po tleh, izredna vročina, ki jo blisk povzroča, stali tla na svoji poti. Tako nastane nenavadna tvorba, ki je oblikovana tako, kakor je skoznjo potekala elektrika.




V poprečju potniška letala zadane strela enkrat na leto in utrpijo samo manjše poškodbe na mestih, kjer tok vstopi in izstopi. ( Gre za Faradayevo kletko. ) Kovinsko ogrodje letala namreč predstavlja varno pot za sicer nevarno visok tok, za zaščito občutljive letalske elektronike in rezervoarjev z gorivom pa uporabljajo posebno zaščito.

Preden novo letalo začne prave polete, njegovo zaščito proti strelam testirajo na tleh. Na sliki 1,5 MV (mega Voltna) strela ( seveda umetno povzročena ) potuje skozi maketo novega Boeinga 777.