Πέμπτη, 2 Οκτωβρίου 2008

Πως δημιουργείται ο κεραυνός ;

Ανέκαθεν ο κεραυνός ήταν σύμβολο μιας πανίσχυρης δύναμης. Όλοι οι αρχαίοι λαοί τον είχαν θεοποιήσει. Σύμφωνα με την ελληνική μυθολογία, ήταν το κυρίαρχο όπλο του Δία και χάρη σ' αυτό έγινε ο αδιαμφισβήτητος αρχηγός των υπόλοιπων θεών του Ολύμπου. Για τους Βίκινγκ του παγωμένου Βορρά ο κεραυνός ήταν δημιούργημα του θεού Θωρ, ο οποίος χτυπούσε το σφυρί του πάνω σε σιδερένιο αμόνι. Οι ινδικές φυλές στη Βόρεια Αμερική θεωρούσαν ότι η αστραπή οφειλόταν στα φτερά ενός μυστικού πουλιού που αναβόσβηναν και όταν πέταγε χτυπούσαν τα φτερά κάνοντας τον ήχο της βροντής. Μόλις το 1752 ο κεραυνός αποκαθηλώθηκε από το θεϊκό του βάθρο και πήρε τη θέση του ανάμεσα στα άλλα φυσικά φαινόμενα. Κατά τη διάρκεια μιας καταιγίδας στην Πενσιλβάνια των ΗΠΑ, ο Βενιαμίν Φραγκλίνος πέταξε έναν αετό από μεταξωτό ύφασμα. Στο σπάγκο είχε δέσει ένα μεταλλικό κλειδί, το οποίο προσέλκυσε το αντίθετο προς το δικό του φορτίο των νεφών. Έτσι δημιουργήθηκε ο πρώτος τεχνητός κεραυνός στην ιστορία. Με το πείραμα αυτό ο Φραγκλίνος απέδειξε ότι πίσω από τα καταιγιδοφόρα νέφη δεν κρύβεται η μήνις των θεών αλλά κάτι πολύ πιο απλό: ένα ηλεκτρικό φορτίο αντίθετο από εκείνο της Γης!
Βέβαια ο Φραγκλίνος φρόντισε να απομονώσει τον εαυτό του από την όλη διάταξη, και να μην εκτεθεί στη βροχή όταν εκτέλεσε το συγκεκριμένο πείραμα, και έτσι δεν έπαθε ηλεκτροπληξία, όπως συνέβει με άλλους που προσπάθησαν να το επαναλάβουν.
Η ανακάλυψη του Φραγκλίνου άνοιξε το δρόμο για τη μελέτη των κεραυνών και οδήγησε στην ολοκληρωμένη Θεωρία του Ατμοσφαιρικού Ηλεκτρισμού που διατύπωσε το 1920 ο Αμερικανός φυσικός Τσαρλς Ουίλσον. Σύμφωνα μ' αυτή, η Γη και η ηλεκτρόσφαιρα -το κάτω τμήμα της ιονόσφαιρας, σε ύψος 50-60 χιλιομέτρων- είναι οι δύο αντίθετοι πόλοι ενός σφαιρικού πυκνωτή τους οποίους χωρίζει η ατμόσφαιρα. Το σύστημα ισορροπεί καθώς η διηλεκτρική αντοχή του αέρα λειτουργεί ως μονωτής, μην επιτρέποντας την εκδήλωση κεραυνών με αίθριο καιρό. Aν δημιουργηθούν καταιγιδοφόρα νέφη σωρειτομελανίων (cumilonimbus) ή σπανιότερα μελανοστρωμάτων (nimbostratus), η κατάσταση φορτίζεται επικίνδυνα. Οι σωρειτομελανίες είναι κατ' ουσίαν τεράστιες μηχανές παραγωγής ηλεκτρικού φορτίου στο εσωτερικό των οποίων επικρατούν βίαια ρεύματα που μεταφέρουν φορτισμένες σταγόνες νερού και παγοκρυστάλλους. Μέσα σε ελάχιστο χρόνο η διαφορά δυναμικού μεταξύ της βάσης του νέφους και του εδάφους φτάνει σε εκατομμύρια βολτ και ξεπερνά τη διηλεκτρική αντοχή της ατμόσφαιρας. Ακριβώς εκείνη τη στιγμή ξεσπά ο κεραυνός, όπως συμβαίνει με όλες τις ηλεκτρικές εκκενώσεις μεταξύ αντίθετων ηλεκτρικών πεδίων.
Έτσι λοιπόν, όταν υπάρχουν οι συνθήκες που δημιουργούν καταιγίδα, όπως υγρασία στην ατμόσφαιρα πολλή θερμότητα κλπ ο αέρας που στροβιλίζεται παρασύρει ιόντα από τα σύννεφα και από την επιφάνεια της γης ή της θάλασσας και έτσι δημιουργείτε συσσώρευση ηλεκτρικών φορτίων στα σύννεφα και φυσικά διαφορά δυναμικού μεταξύ των σύννεφων (συνήθως αρνητικά φορτισμένων ) και της ξηράς ή της θάλασσας φορτισμένης θετικά.
Στην ουσία έχουμε φόρτιση με επαγωγή. Ο αέρας που υπάρχει μεταξύ του σύννεφου και της θάλασσας είναι όπως γνωρίζουμε κακός αγωγός του ηλεκτρισμού και έτσι τα φορτία δεν μπορούν να κυκλοφορήσουν ώστε να εξουδετερωθούν, κατ αυτόν τον τρόπο η διαφορά δυναμικού συνεχώς αυξάνεται και παίρνει τιμές πάρα πολύ υψηλές, από 80 εκατομμύρια έως και 1 δισεκατομμύριο βολτ, για να πάρετε μια ιδέα αυτού του μεγέθους σκεφθείτε ότι η διαφορά δυναμικού στο μπουζί είναι περίπου 20 000 βολτ.Όταν λοιπόν η διαφορά δυναμικού λάβει τόσο υψηλές τιμές γίνεται διάτρηση του αέρα και δημιουργείται ηλεκτρικός σπινθήρας.

Η διάτρηση του αέρα δεν είναι στιγμιαία.

Από το σύννεφο ξεκινά μια αρχική εκτόνωση η οποία λέγεται “εκτόνωση οδηγός” αόρατη, και προχωρεί με βήματα και ταχύτητα 100 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο προς την Γη. Από την γη ξεκινά μια εκτόνωση με αντίθετη πολικότητα που ονομάζεται "εκτόνωσης ανάκλησης". Την στιγμή που συναντιόνται οι δυο εκτονώσεις έχουμε τον κεραυνό. Το φαινόμενο διαρκεί μερικές δεκάδες ή και εκατοντάδες του μικροδευτερολέπτου. Λόγω του σπινθήρα, ο αέρας θερμαίνεται, η θερμοκρασία σε κλάσματα του δευτερολέπτου ξεπερνά κατά πολλές φορές εκείνη της επιφάνειας του Ήλιου, συμπιέζεται και ισχυρές μάζες του μετατοπίζονται. Η ισχυρή βροντή του κεραυνού δημιουργείτε από την διάσπαση του αέρα λόγω υψηλής θερμοκρασίας. Η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος μπορεί να φθάσει τα 200.000 Αμπέρ αν και το 85% των κεραυνών έχουν εντάσεις μικρότερες των 60.000 Αμπέρ η διάρκεια της εκκένωσης είναι της τάξης των δεκάδων μsec, και το μήκος του τόξου πολλές φορές φθάνει και τα 10 km.

Η ισχύς λοιπόν ενός κεραυνού στην καλύτερη περίπτωση είναι (100 000 000 χ 60 000 = 6 000 000 000 K Watt ή 8.152.173.000 ίππους για όποιον καταλαβαίνει καλύτερα αυτή την μονάδα. Η ενέργεια αυτή είναι ίση με αυτή που χρειάζονται 600 εκατομμύρια νοικοκυριά. Δυστυχώς ακόμα δεν έχει βρεθεί τρόπος την ενέργεια αυτή να την αιχμαλωτίσουμε και να την αποθηκεύσουμε για τις ανάγκες μας. Οι κεραυνοί βρίσκουν τον δρόμο με την λιγότερη ηλεκτρική αντίσταση προς την γη ο οποίος δεν συμπίπτει τις περισσότερες φορές με τον συντομότερο γεωμετρικά δρόμο, στην πορεία τους τίποτα δεν μπορεί να τους αντισταθεί αντίθετα όσο περισσότερα εμπόδια συναντούν τόσο περισσότερο καταστρέφουν. Αυτό λοιπόν που πρέπει να κάνουμε εμείς είναι να τον διευκολύνουμε να περάσει προσφέροντας του τον ευκολότερο δρόμο και τον ρόλο αυτό αναλαμβάνουν τα αλεξικέραυνα.

Πορεία στα τυφλά

Ο κεραυνός στην τελική του φάση είναι τόσο λαμπερός, ώστε τον διακρίνουμε από πολλά χιλιόμετρα μακριά. Ωστόσο ξεκινά την πορεία του στα σκοτεινά. Στο αρχικό στάδιο σχηματίζεται μια δίοδος από ηλεκτρόνια και ιόντα, η οποία διαχέεται από τα σύννεφα προς το έδαφος. Το αόρατο για το ανθρώπινο μάτι μονοπάτι αποκαλείται Ηγέτης (Leader) και κινείται ψηλαφιστά, αναζητώντας τη διαδρομή με τη μικρότερη διηλεκτρική αντίσταση. Διακλαδώνεται συνεχώς, "χαράσσοντας" στην ατμόσφαιρα τη διαδρομή πάνω στην οποία θα κινηθεί μετά από χιλιοστά του δευτερολέπτου ο φωτεινός κεραυνός που όλοι γνωρίζουμε. Η ερευνητική ομάδα του Ντουάιερ ανακάλυψε ότι σ' αυτή την προπαρασκευαστική φάση ο κεραυνός δεν είναι απόλυτα σκοτεινός αλλά εκπέμπει μικρές λάμψεις ακτίνων Χ, η ενέργεια των οποίων προσεγγίζει το μισό εκείνης που χρησιμοποιείται στις ακτινοβολίες. Την ίδια στιγμή που ο Ηγέτης κατευθύνεται προς τα κάτω, ανυψώνεται λίγα μέτρα από το έδαφος μια ηλεκτρική ροή με αντίθετο φορτίο. Μια άλλη ερευνητική ομάδα του Διεθνούς Χριστιανικού Πανεπιστημίου του Τόκιο, με επικεφαλής το φυσικό Μαρκ Γκρίνφιλντ, παρατήρησε ότι κατά τη διάρκεια ορισμένων καταιγίδων αυξάνεται ομοίως και η ποσότητα των ακτίνων γάμμα στην ατμόσφαιρα. Αυτές οι ακτίνες είναι πολύ πιο διεισδυτικές από τις ακτίνες Χ και παράγονται μετά από πυρηνικές αντιδράσεις. Ούτως ή άλλως, είναι πάντα παρούσες σε μικρές ποσότητες στον αέρα λόγω της φυσικής ραδιενέργειας της Γης και της κοσμικής ακτινοβολίας.

Μεγαλειώδης δύναμη

Ποτέ οι κεραυνοί δε θα προκαλέσουν πυρηνική καταστροφή, παραμένουν όμως ένα από τα πιο βίαια και ισχυρά φυσικά φαινόμενα. Η ενέργεια μιας σφοδρής καταιγίδας ισοδυναμεί μ' εκείνη που απελευθερώνεται από την έκρηξη μερικών ατομικών βομβών. Έχει υπολογιστεί ότι καθημερινά εκδηλώνονται στη Γη περίπου 40.000 καταιγίδες οι οποίες προκαλούν περισσότερους από 7.000.000 κεραυνούς. Η θερμοκρασία που αναπτύσσεται μέσα στο μονοπάτι του κεραυνού είναι της τάξης των 40.000 βαθμών Κελσίου, πέντε φορές μεγαλύτερη από εκείνη στην επιφάνεια του Ήλιου. Κάθε ηλεκτρική εκκένωση έχει ισχύ περίπου 30.000 Αμπέρ, αριθμός τεράστιος αν σκεφτούμε ότι οι περισσότερες ηλεκτρικές συσκευές χρειάζονται λίγα μόνο Αμπέρ για να λειτουργήσουν. Οι παραπάνω αριθμοί αρκούν για να συλλάβουμε τη δύναμη του κεραυνού και να κατανοήσουμε γιατί οι αρχαίοι λαοί τον είχαν θεοποιήσει. Άλλο στοιχείο που προκαλεί δέος είναι πως χτυπά ακαριαία, απροσδόκητα και στα πιο απίθανα μέρη. Ο πιο απρόσμενος κεραυνός στη σύγχρονη ιστορία τράνταξε το θαλαμίσκο Απόλλων 12 στις 14 Νοεμβρίου του 1969, όταν διερχόταν μέσα από πυκνά σύννεφα κατά τη διάρκεια εκτόξευσής του από το Ακρωτήριο Κένεντι, στις ΗΠΑ. Ευτυχώς, δεν προκάλεσε ζημιές...


Η σημασία του αλεξικέραυνου


Ο σκοπός του αλεξικέραυνου είναι να παρέχει μια ελεγχόμενη δίοδο με όσο το δυνατόν μικρότερη αντίσταση ανάμεσα σε σύννεφο και γη ώστε να εξισορροπηθούν τα αντίθετα φορτία. Το αλεξικέραυνο λοιπόν στην απλή του μορφή δεν είναι τίποτα περισσότερο από ένας αγωγός του ηλεκτρισμού (καλώδιο) με την μια άκρη όσο το δυνατόν ψηλότερα και την άλλη συνδεδεμένη στην γη ή την θάλασσα, προσφέρει δε προστασία σε μια κυκλική περιοχή με διάμετρο όσο το ύψος του.
Ο Φραγκλίνος ανακάλυψε ότι το φορτίο διαρρέει εύκολα από ή προς αιχμηρές μεταλλικές ακίδες, και κατασκεύασε το πρώτο αλεξικέραυνο. Αν το αλεξικέραυνο τοποθετηθεί σε κτίριο και τοποθετηθεί στο έδαφος, η ακίδα του συλλέγει ηλεκτρόνια από την ατμόσφαιρα αποτρέποντας έτσι τη μεγάλη συσσώρευση φορτίου που θα μπορούσε να προκαλέσει μια ξαφνική εκκένωση μεταξύ νέφους και κτιρίου. Το αλεξικέραυνο αποτελεί πρωτίστως προληπτικό μέσο. Αν όμως προκληθεί ηλεκτρική εκκένωση τότε αποτελεί τη δίοδο, ώστε αυτό να διοχετευθεί στη γη, αφήνοντας το κτίριο ανέπαφο.

Ας δούμε και κάποια video από κεραυνούς που πέφτουν .... αρκετά κοντά.
1.








2.











3. Hewitt,P, (2005), Οι έννοιες της Φυσικής, ΠΕΚ, Ηράκλειο.











4 σχόλια:

Kostas είπε...

Ομολογώ πως εντυπωσιάστηκα από όλα οσα διάβασα. Αλήθεια πως θα μπορούσαμε να εκμεταλλευτούμε ενεργειακά τον κεραυνό; Τι λένε οι τελευταίες μελέτες-έρευνες;
Μπαλτάς Κωνσταντίνος

thomas είπε...

σχετικα με την παραγραφο Μεγαλειωδης δυναμη,
....η ισχυς ειναι 30000 αμπερ,το αμπερ δεν ειναι μοναδα μετρησης της ισχυος αλλα της εντασης του ρευματος

Nikolaos Pen είπε...

αυτό περί τροφοδότησης 600 εκ. νοικοκοιριών ισχύει αλλά για όσο διαρκεί αυτή η μεγάλη ροή ενέργειας..δηλ. για κάποιες δεκάδες μικροδευτερόλεπτα...με πολύ πρόχειρο υπολογισμό το ισοδύναμο όλης αυτής της ενέργειας είναι λιγότερο των 900 ΚWh..όσο δηλ. χρειάζονται μόλις ..50-100 νοικοκοιριά για μία μόλις ημέρα με πολλή χαλαρή κατανάλωση..

gepsimos είπε...

"Η ισχυρή βροντή του κεραυνού δημιουργείτε από την διάσπαση του αέρα λόγω υψηλής θερμοκρασίας"

ορθότερη διατύπωση: "από την ΔΙΑΣΤΟΛΗ του αέρα λόγω υψηλής θερμοκρασίας"