30th Νοέμβριος 2020

ScienceLab.Gr

Science Communication

Η φυσική εξηγεί το φαινόμενο του κεραυνού

Κεραυνός: ένα ηλεκτροστατικό φαινόμενο

Όλοι μας έχουμε γίνει μάρτυρες των βίαιων φωτεινών φαινομένων που παράγονται κατά τη διάρκεια μίας καταιγίδας. Έχουμε παρατηρήσει τις λάμψεις που εμφανίζονται στο συννεφιασμένο ουρανό ή λάμψεις που “ταξιδεύουν” προς τη Γη. Τα φαινόμενα αυτά, οι κεραυνοί, είναι ηλεκτροστατικά φαινόμενα, σύμφωνα με τη Φυσική.

Θετικά και αρνητικά ιόντα στα σύννεφα

Κατά τη διάρκεια μίας καταιγίδας τα νέφη εμφανίζουν ηλεκτρικά φορτία με το κάτω μέρος τους φορτισμένο συνήθως αρνητικά και το επάνω θετικά. Το αρνητικό φορτίο που βρίσκεται στη βάση του νέφους δημιουργεί με επαγωγή θετικά φορτία στην επιφάνεια της Γης. Επομένως, εμφανίζεται ένα ηλεκτρικό πεδίο μεταξύ νέφους-Γης.

Κύκλωμα νέφους-εδάφους: ο ρόλος του ατμοσφαιρικού αέρα

Ο ατμοσφαιρικός αέρας είναι ένας μονωτής (διηλεκτρικό) που εμποδίζει την κίνηση του ηλεκτρικού φορτίου. Εάν όμως η ένταση του πεδίου μεταξύ νέφους-Γης αποκτήσει μεγάλη τιμή (κοντά στα 5·106 V/m) ο ατμοσφαιρικός αέρας γίνεται αγώγιμος (για μερικά μs) με αποτέλεσμα τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται στη βάση του νέφους να τον διαπερνούν, και να δημιουργείται ηλεκτρική εκκένωση. Τα ηλεκτρόνια σχηματίζουν μία σφήνα, που ονομάζεται “οδηγός”, και η οποία ακολουθώντας στρεβλή τροχιά κατευθύνεται προς τη γη, δημιουργώντας ισχυρότατα πεδία. Όταν η μύτη του οδηγού φθάσει σε ύψος μερικών δεκάδων μέτρων από το έδαφος, η εκκένωση που κατεβαίνει συναντά την ανερχόμενη και κλείνει το κύκλωμα νέφους-εδάφους.

Αστραπή και κεραυνός: ποια η διαφορά;

Αστραπή είναι η φωτεινή λάμψη που θα παρατηρήσουμε κατά τη διάρκεια της κακοκαιρίας, ενώ κεραυνός είναι το ηχητικό κρουστικό κύμα που προκαλεί το φαινόμενο.

Τι ένταση έχει το ρεύμα που παράγει το φαινόμενο του κεραυνού; Τι θερμοκρασίες αναπτύσσονται;

Η ανερχόμενη προς το νέφος εκκένωση, δημιουργεί ρεύμα μεγάλης έντασης, 10.000 έως 20.000 Α, το οποίο διαρκεί έως 0,01 ms. Το ανερχόμενο ρεύμα είναι εκείνο που δίνει τη φωτεινή αναλαμπή που βλέπουμε σαν κεραυνό. Η διαδρομή, που ακολούθησε η ηλεκτρική εκκένωση έχει εξαιρετικά υψηλή θερμοκρασία που φθάνει τα 30.000 Κ (δηλαδή πάνω από 29726 βαθμούς Κελσίου). Η πίεση που επικρατεί στην περιοχή της εκκένωσης δημιουργεί αρχικά ένα κρουστικό κύμα το οποίο σταδιακά μετατρέπεται στο ηχητικό, που ακούμε μετά τη φωτεινή λάμψη.

Και γιατί πρώτα βλέπουμε την “αστραπή” και μετά ακούμε τον “κεραυνό”;

Γιατί όπως είναι γνωστό το φως ταξιδεύει γρηγορότερα από τον ήχο.