Piorun by to trafił!

Choć może się to wydawać dziwne, nie do końca wiadomo, jak powstają pioruny. Bez wchodzenia w szczegóły wszystko jest jasne, ale… Nie wiadomo na przykład, jaki jest udział promieniowania kosmicznego w całym procesie, nie wiadomo też, co dzieje się w chmurze tuż przed wyładowaniem. Na temat piorunów kulistych nie wiadomo nic, poza tym, że istnieją, choć zdarzają się rzadko.

Pioruny w swetrze
Piorun to wyładowanie elektryczne. Ładunek elektryczny zgromadzony w jednym miejscu, „przeskakuje” w inne, gdzie jest go mniej. W chmurze (i na powierzchni ziemi) ładunki elektryczne rozmieszczone są nierównomiernie. Na dole chmury więcej jest ładunków ujemnych, a u góry dodatnich. Powierzchnia ziemi pod chmurą jest naładowana elektrycznie dodatnio, bo ładunki ujemne z niej „uciekły” (odpychane przez „minusy” na dnie chmury). Dlaczego spód chmury elektryzuje się? Dlaczego jest tam więcej minusów niż plusów?

Materia wokół nas zbudowana jest z atomów. Atomy węgla, żelaza czy tlenu – wszystkie są skonstruowane według tego samego przepisu. Wokół naładowanego dodatnio jądra atomowego (posklejanego z dodatnich protonów i neutralnych elektrycznie neutronów) krążą elektrony o ładunku ujemnym. Atom jest elektrycznie obojętny, bo liczba dodatnich protonów w jądrze jest taka sama jak liczba krążących wokół niego ujemnych elektronów. W niektórych sytuacjach zdarza się jednak, że ta równowaga zostaje zaburzona.

Zdarza się tak, gdy pocieramy o siebie przedmioty wykonane z różnych materiałów (albo materiałów o różnej temperaturze). Każdy to obserwuje przy zakładaniu swetra wykonanego z włókien syntetycznych. Gdy przeciska się go przez głowę, włosy ocierają się o sweter i następuje rozdzielenie ładunków. W sumie liczba „plusów” i „minusów” nie zmienia się. Zmienia się za to ich położenie. Jeden z materiałów ma nadmiar „plusów”, a drugi „minusów”. Przy zakładaniu swetra słychać czasami trzaski. To niewielkie wyładowania elektryczne. Takie minipioruny. Ładunki ujemne przeskakują z ciała z nadmiarem „minusów” na obiekt z nadmiarem „plusów. Co to wszystkiego ma wspólnego z chmurą?

Blisko, ostro i wilgotno
We wnętrzu chmury burzowej wieją silne wiatry. Szczególnie często – jak się wydaje – w pionie. W efekcie w chmurze panuje ciągły i bardzo szybki ruch kropel wody, zamarzniętych kropel wody i kryształków lodu. Jedne przemieszczają się do góry (bardzo szybko się ochładzając), inne spadają w dół. Zderzają się ze sobą, ocierają o siebie, a przy okazji… elektryzują. Kryształki lodu elektryzują się dodatnio, podczas gdy zamarznięte krople wody (tzw. krupy) ujemnie. Krupy są cięższe od kryształków lodu i opadają „na dno” chmury. W efekcie spód chmury ma nadmiar ładunków ujemnych, a sam jej szczyt ładunków dodatnich.

Im bardziej dół chmury jest naładowany ujemnie, tym bardziej powierzchnia ziemi pod chmurą jest naładowana dodatnio. Ładunki o różnych znakach się przyciągają. Elektrony z dna chmury chętnie przeskoczyłyby na dodatnią powierzchnię ziemi, ale odległość dochodząca do kilku kilometrów (pomiędzy chmurą a ziemią) jest zbyt duża. To, czy wyładowanie „przeskoczy” pomiędzy dwoma ciałami, czy nie, zależy od wielu, wielu czynników. Jednym z nich jest tzw. różnica potencjału, mówiąca o różnicy w liczbie ładunków zgromadzonych pomiędzy obiektami.