časopis za tolmačenje znanosti
 
 
  21. December 2014 06:26  
Kvarkadabra  
  Forum - Razpravljaj o življenju, vesolju in sploh vsem.
Slovar - Od Antimaterije do Žarkov
Igre - Virtualni laboratorij.
Vprašanja - Imaš vprašanje za strokovni svet Kvarkadabre?
Predavanja - Vse o zadnjih odkritjih iz prve roke.
Galerija - Slike iz sveta znanosti.
Knjiga - Zakaj je nebo modro?
KvarkaWiki - Poskus "Wiki" izgradnje fizikalnega priročnika.
 
   

Področja  
   
   

Časopis  
  Uredništvo
Sponzorji
Predstavitev
Ponatisi Spika
Članki na portalu
Tekstovni dostop
Stara stran
Kazalo po številkah
 
   

Naši pokrovitelji  
  - FMF Uni-Lj
- Univerza v Novi Gorici
- Ministrstvo za znanost RS
- drugi
 
   


  O streli   
 
FizikaNajprej blisk, nato štejem, enaindvajset, enaindvajset, enaindvajset..., po enkrat za vsako sekundo, ki preteče, in tako petkrat zapovrstjo, dokler me ne prekine oglušujoč grom. Dobro je, nevihta je še daleč. Če namreč prepotuje zvok v sekundi nekako tristo metrov, je torej nevihta pet krat tristo, kilometer in pol daleč stran. Dovolj oddaljena, da lahko v miru opazujem prekrasni spektakel, ki mi ga je še enkrat več pripravila narava. Da poteši moja hrepenenja po estetskih užitkih, ali da vzbudi v meni nova vprašanja?

Povsem nepresenetljivo je pred menoj pojav strele vzbudil zanimanje še celi množici drugih ljudi. Kljub velikemu številu opravljenih poskusov, začenši z znamenitim poskusom Benjamina Franklina, ki je uspel speljati strelo po žici razpeti od otroškega zmaja do zemlje, tja do najnovejših poskusov z laserji, s katerimi bi lahko prožili strelo, pa naj že takoj na začetku razočaram (ali pa morda razveselim nadebudne mlade raziskovalce) z dejstvom, da pojav strele teoretično še ni v celoti pojasnjen.

Proces nastanka strele

Dež za soncem mora biti, za veseljem žalost priti. (Slov. pregovor)

Največji problem predstavlja, še vedno, že kar prvi korak pri tvorbi strele. Celoten cikel do nastanka strele se namreč začne s separacijo nabojev v nevihtnem oblaku. Z raznovrstnimi poskusi, tudi z letalskimi preleti nevihtnih oblakov (pri čemer lahko pogum pilotov le občudujemo), so namreč ugotovili, da je vrh nevihtnega oblaka med 6 in 7 km nad zemljo pozitivno nabit, medtem ko je spodnji konec oblaka na višini 3 do 4 km nabit negativno. Naboj, ki ga nosi spodnji del oblaka, je dovolj velik, da povzroči med površjem zemlje in spodnjim slojem oblaka napetostno razliko, ki dosega 20, 30 ali pa celo tja do 100 milijonov voltov (za primerjavo- navadna baterija ima napetost 1,5 volta). Velika električna polja nato povzročijo ionizacijo zraka in pa električni preboj. Ob preboju stečejo negativni naboji z dna oblaka do površine zemlje v obliki strelinega bliska. Za nastanek strele je torej ključnega pomena razumevanje procesa, ki vodi do separacije nabojev, to je do pojava, ko so deli nevihtnega oblaka na različnih višinah različno nabiti. Seveda obstaja nekaj precej kompleksnih teorij, ki skušajo razjasniti zagonetko, na žalost pa nobena ni zadovoljiva v vseh pogledih.

Separacija naboja

Še najširše je sprejeta zamisel, po kateri se kapljice ob padcu proti dnu oblaka negativno nabijejo. Kot bomo videli kasneje je namreč površina zemlje negativno nabita. Zaradi tega se kapljica vode polarizira, to je negativni naboj se zbere na gornji strani kapljice, medtem ko negativna površina zemlje pritegne pozitivne naboje na spodnjo stran kapljice. Poleg kapljic je v oblaku vedno tudi cela množica prašnih delcev, ki so lahko negativno ali pa pozitivno nabiti. Ko kapljica pada proti zemlji, se na spodnjo (to je pozitivno stran) lepijo negativni prašni delci iz okolice, saj jih pozitivni naboj privlači. Če bi bila kapljica na miru bi se pozitivni prašni delci lepili na gornjo stran, ker pa se kapljica premika, jim zračni tok to onemogoča. Tako se kapljica kot celota negativno nabije, hkrati pa tudi pade proti dnu oblaka. Medtem topli dvigajoči se zračni tokovi dvignejo pozitivne prašne delce, tako da dobimo nabit oblak. Teorija se zdi do tega trenutka precej dobra, a kaj ko tudi z njo naletimo na probleme. Celoten naboj, s katerim imamo opravka v nevihtnem oblaku, je namreč precej velik. Zaradi tega bi že po kratkem času izpraznili zalogo prašnih delcev. Problem lahko rešimo z naslednjim argumentom: do tedaj ko se sprazni zaloga prašnih delcev, so polja v oblaku že tako visoka, da mestoma prihaja do ionizacije zraka, tako da dobivamo nove nabite fragmente in separacija nabojev se lahko nadaljuje.

Blisk


Strele nad mestom

Ker je na površini zemlje precej manj negativnih nabojev kot na spodnji strani oblaka, površina zemlje privlači negativne delce v oblaku. Prost elektron blizu oblaka torej električno polje vleče proti zemlji. Električno polje poleg tega elektrone pospeši do take hitrosti, da le ti lahko izbijajo elektrone iz molekul, ki sestavljajo zrak. Tako nastaja vedno več nabitih delcev, plaz elektronov, ki potujejo proti zemlji, in pa kopica počasnih velikih pozitivnih ionov, ki se zlagoma premikajo proti oblaku. Plaz elektronov se premika zelo hitro, s šestino hitrosti svetlobe, medtem ko za seboj pušča sled dobro prevodnega ioniziranega zraka. Po nekako 50 metrih pa se plaz elektronov ustavi. Pozitivni ioni, ki smo jih pustili zadaj, namreč zavirajo napredovanje elektronov. Vendar pa po ustvarjenem prevodnem kanalu že hiti pošiljka elektronov, ki nevtralizirajo vpliv pozitivnih ionov, tako da se lahko igra ponovi. Zopet dobimo plaz elektronov, ki ustvari nov krak "stopničastega vodnika" (stepped leader), raziskovalnega dela strelinega udarca. Ko se stopničasti vodnik približa tlem, lahko pritegne tok pozitivnih delcev z zemlje (streamer), ki se nato sklene z vodnikom, ali pa se stopničasti vodnik neposredno dotakne tal. V trenutku, ko obstaja povezava med oblakom in zemljo se začne glavni, najsvetlejši del bliska imenovan povratni udarec (return stroke). Ionizirani zrak v stopničastem vodniku namreč delujejo kot prevodnik, ravno tako kot žica s katero sklenemo baterijo, le da se tu prazni negativno nabiti oblak.

Ker smo "napeljavo" staknili pri tleh, je to tudi področje, kjer elektroni najprej čutijo stik. Elektroni se začnejo pospeševati, z zadevanjem ob molekule zraka pa povzročijo, da zrak zažari. Ko elektroni vedno višje po vodniku čutijo povezavo in se pospešujejo, tudi zrak vedno višje po vodniku zažari. Blisk povratnega udarca se, kot pove že ime, širi od tal proti oblaku. Potovanje bliska od tal proti nebu je namreč le potovanje novice o vzpostavljenem stiku oz. bolje rečeno potovanje motnje elektromagnetnega polja, seveda pa tok elektronov teče od oblaka proti tlom. Tla se torej ob udarcu strele negativno nabijajo.

Grom

Ob začetku povratnega udarca teče tok okoli 10000 amperov, ob čemer je kakih 10 amperov, ki teče po hišni napeljavi pravi mačji kašelj. Nič čudnega torej, da skriva tako velik tok dovolj termične energije, da pregreje okoliški zrak. Le ta se potem eksplozivno razširi in sproži udarni val, ki ga slišimo kot grmenje.

Vendar pa tudi potem, ko povratni udarec sprazni določen del oblaka in zrak preneha žareti, igre še ni konec. Naboj v oblaku se namreč hitro zopet reorganizira, tako da začetnemu udarcu lahko sledi ponovni vodnik. Tega imenujemo sedaj temni vodnik (dark leader), ki preide celotno pot v enem koraku. V potankostih sledi prvotni poti, saj je na njej še vedno dovolj ostankov, da je to najlažja pot. Temni vodnik je zopet poln negativnega naboja. Ko dospe do tal sledi ponovno povratni udarec in zopet se zabliska. Včasih udari le enkrat ali dvakrat, zasledili pa se že tudi preko 40 bliskov na isti sledi, vedno pa v hitrem redosledu, saj med posameznimi bliski poteče le nekaj milisekund.

In koliko časa traja posamezna stopnja strele? Začetna stopnja priprave razelektritve je najdaljša in traja okoli 100 ms, nato sledi stopničasti vodnik, ki zaradi vmesnih postankov med tvorbami krakov zbere nekako 10 ms, medtem ko zadnja faza, povratni udarec, traja le borih 0,2 ms.

Druge vrste strel

Dlje greš, dlje ti kažejo. (Slov. pregovor)

Zgoraj opisana viličasta strela je le najpogostejša oblika strele. Poleg nje so opazili še vrsto drugačnih manifestacij elektromagnetnega vrenja v oblakih med nevihto. Če na primer veter premakne prevodni kanal med dvema zaporednima udarcema, dobimo bliske, ki so zamaknjeni drug za drugim za majhno razdaljo, celoten blisk pa se zdi kot trak strel. Prav tako obstajajo tudi pozitivni bliski, ki se praznijo neposredno z vrha oblaka v tla, poleg teh pa so pogoste tudi strele med oblaki samimi. Ob redkih priložnostih opazimo, da se strela razbije v bisere, ki potem tvorijo verigo, sami biseri pa žarijo več kot sekundo. Te vrste verižne strele (bead ali chain lightning) še ni uspelo pojasniti. V devetdesetih letih so opazili poleg strel v troposferi, še bliskajoče se fantome nad nevihtnimi oblaki nekako 50 do 90 km visoko. Prislužili so si precej posrečena imena vile (sprites) in škrati (elves). Ker je atmosfera tako visoko redkejša, zajame strela na velikih višinah manj molekul, zaradi česar je s prostim očesom komaj vidna. Prav tako žari v različnih barvah kot navadne razelektritve, večinoma v rdeči barvi. Še bolj enigmatični kot vile in škrati, so modri brizgi (blue jets) in pa izviri žarkov gama in x, prav tako električni pojavi visoko nad nevihtnimi oblaki. Še posebno slednji so pravo presenečenje, saj pri vilah elektroni redko presežejo energijo 20 eV, medtem ko potrebujemo za tvorbo žarkov gama energije milijona elektron voltov. Razmerje je enako kot med močjo kemičnega eksploziva in atomske bombe. Poleg gornjih, znanstveno potrjenih oblik strele, najbolj buri človeško domišljijo pojav krogelne strele. Njenega obstoja niso nikoli znanstveno potrdili, pojavljala pa naj bi se takoj po bližnjem udaru strele, kot žareča krogla, ki lebdi ali se premika nad ograjami, strehami oz. celo vdira v hiše.


Slika kroglaste strele.

Obramba pred strelo

Strela ne udari v koprivo. (Slov. pregovor)

Strela kot da rada udari v nekatere predmete, drugih pa se izogiba. Tako je recimo Empire State Building najljubša tarča strel na področju New Yorka. Prav tako strele rade udarijo v drevje ali pa iščejo kakšne druge visoke objekte v bližini. Zakaj? Povsem preprosto povedano, visoki predmeti približajo tla k nebu, s tem pa se poveča verjetnost, da bo skokovita pot stopničastega vodnika končala ravno ob tem visokem predmetu. To tendenco je opazil že Benjamin Franklin s svojimi znamenitimi eksperimenti s papirnatimi letečimi zmaji leta 1752. Od tu je bil le še korak, da je na najvišjo točko strehe svoje hiše pritrdil kovinsko palico in jo s kovinsko žico povezal z zemljo. Kljub temu, da je sprva mislil, da take kovinske palice "pritegnejo električni ogenj iz oblaka potiho, predno lahko pride dovolj blizu, da bi lahko udaril", pa je kasneje pravilno ugotovil, da taki strelovodi le prevedejo električni tok varno mimo hiše. Če strela udari v hišo, je najbolj verjetno, da udari v najvišjo točko, od kjer pa jo potem lahko speljemo preko strelnega voda v zemljo. Njegov izum je od tistihmal prihranil gore denarja in rešil premnoga življenja, saj na podobnih zamislih prevajanja udarcev strele stran od občutljivih objektov temeljijo tudi najnovejše metode zaščite pred strelo. Zanimivi so povsem novi poskusi, kjer poskušajo z laserskim žarkom nadomestiti vlogo stopničastega vodnika (Glej članek: Nad strelo z laserjem). Z laserskim žarkom bi ionizirali stolpič zraka med oblakom in zemljo ter tako sprožili strelo, le ta pa bi sedaj udarila v isti ravni črti, ki jo je naredil laserski žarek. Do sedaj so na ta način prožili strelo le v laboratoriju, vendar pa kmalu pričakujejo, da bodo lahko delali poskuse tudi na prostem.


Strela udari v nebotičnik.

Med nevihto je tako najvarnejše mesto velika stavba opremljena z več strelovodi. Prav tako varno se je peljati z avtom, saj kovinska šasija prevede naboj strele mimo potnikov v zemljo. Nikakor pa se ni pametno zadrževati pod drevjem, če nas slučajno nevihta ujame na prostem. Tudi če nas ne ubije sam tok, ki steče ob udaru strele v drevo, lahko sproščena toplota zavre sočno notranjost drevesa, tako da drevo morda celo eksplodira! Ko strela udari v tla, steče po površini tok od središča udarca. Če stojimo v bližini z nogami narazen, lahko tok steče navzgor po eni nogi in navzdol po drugi, kaj takega pa zlahka povzroči smrtne poškodbe. Veliko goveda umre na ta način, saj ne morejo držati nog skupaj, če želijo obdržati ravnotežje.

Prav tako ne drži, da strela nikoli ne udari na isto mesto, ali pa da ljudje, ki jih je zadela strela od tedaj dalje odbijajo strelo. Znan je primer rangerja Roy "Dooms" Sullivana, ki ga beleži tudi Guinnessova knjiga rekordov. Roya je namreč med letom 1942 in njegovo smrtjo 1983 strela zadela kar sedemkrat.

Dodatno branje

  • Feynman, R., R. Leighton, M. Sands. "Chapter 9: Electricity in the Atmosphere." v The Feynman Lectures on Physics. Vol. 2. Reading, MA: Addison-Wesley Publishing Company, Inc.. 1966.
  • J.C. Diels et al., Lightning Control with Lasers, Sci. Am., Vol. 277, iss. 2, pp. 30-35, Aug. 1997
  • S.B. Mende et al., Lightning between Earth and Space, Sci. Am., Vol. 277, iss. 2, pp. 36-39, Aug. 1997
  • Viemeister, Peter E. The Lightning Book, Cambridge, MA: MIT Press, 1972
  • L i g h t n i n g - A radio script which was broadcast on station WTJH-AM.
  • Lightning by Ron Hipschman

(Jure Zupan, kvarkadabra.net - številka 1, oktober 1999)
[ Ogledov: 13.507.  Objavljeno: 04/11/03. ]  




Dodatne možnosti

 
  • Pošlji članek prijatelju po e-pošti
  • Za tisk prijazna stran
  •  

    |