Τι προκαλεί τον κεραυνό και τη βροντή;

Τι προκαλεί τον κεραυνό: Όταν ένα θετικό και αρνητικό φορτίο μεγαλώνει αρκετά στον ουρανό, λαμβάνετε κεραυνό. Αυτή η γιγάντια σπίθα ηλεκτρικής ενέργειας εκτοξεύεται μέσα από τα σύννεφα και μερικές φορές αγγίζει την επιφάνεια της Γης.

Τι προκαλεί τη βροντή: Η βροντή είναι ο ήχος που κάνει οι κεραυνοί, αυτό συμβαίνει επειδή ο κεραυνός αυξάνει ξαφνικά την πίεση και τη θερμοκρασία γύρω του, διευρύνοντας τον αέρα και δημιουργώντας μια βροντερή έκρηξη.

Οι περισσότεροι από εμάς είναι εξοικειωμένοι με τις καταιγίδες και τις αστραπές και τις βροντές που τις συνοδεύουν. Ωστόσο, οι περισσότεροι από εμάς δεν είμαστε τόσο εξοικειωμένοι με το πώς παράγονται οι βροντές και οι κεραυνοί σε μια καταιγίδα. Με απλά λόγια, οι κεραυνοί είναι αποτέλεσμα ηλεκτρονίων που κινούνται μεταξύ των σύννεφων και του εδάφους και η βροντή έρχεται ως αποτέλεσμα του κεραυνού.

Atmospheric Static

Οι επιστήμονες εξακολουθούν να προσπαθούν να βρουν πώς ακριβώς σχηματίζεται ο κεραυνός, αλλά γνωρίζουμε ότι έχει κάποια σχέση με τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ θετικών και αρνητικά φορτισμένων ιόντων μέσα στα σύννεφα.

Εάν έχετε ποτέ περάσει πάνω από ένα χαλί και στη συνέχεια αγγίξατε το πόμολο της πόρτας μόνο για να σοκαριστείτε, έχετε βιώσει μια εκκένωση στατικού ηλεκτρισμού. Η κίνησή σας στο πάτωμα δημιούργησε ένα στατικό (μη κινούμενο) ηλεκτρικό φορτίο, το οποίο αναζητά αυτή την πρώτη πιθανή ευκαιρία διαφυγής και εκφόρτισης. Το ίδιο συμβαίνει με τις αστραπές μέσα στα σύννεφα, απλώς σε πολύ μεγαλύτερη κλίμακα.

Οι κρύσταλλοι του πάγου και του νερού που αποτελούν τα σύννεφα είναι μόρια νερού και κατά τη διάρκεια μιας καταιγίδας ο αέρας μετακινεί αυτά τα σωματίδια γύρω, κάνοντάς τα να συγκρούονται. Σύμφωνα με ορισμένες τρέχουσες θεωρίες για το σχηματισμό κεραυνών, τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια από τα ανοδικά κινούμενα μόρια του νερού μεταφέρονται στα βαρύτερα μόρια που κινούνται προς τα κάτω. Αυτή η κατάσταση σημαίνει ότι το πάνω μέρος του σύννεφου καταιγίδας είναι θετικά φορτισμένο και το κάτω μέρος του νέφους καταιγίδας είναι πιο αρνητικά φορτισμένο.

Μια αστραπή

Δεδομένου ότι όπως τα φορτία απωθούν το ένα το άλλο (σκεφτείτε τις ίδιες πλευρές των μαγνητών που απωθούνται), τα αρνητικά φορτισμένα ιόντα στην επιφάνεια της Γης απομακρύνονται, αφήνοντας το έδαφος κάτω από το σύννεφο καταιγίδας με ένα συνολικό θετικό φορτίο. Αυτό σχηματίζει ένα ηλεκτρικό πεδίο μεταξύ του εδάφους και της βάσης του νέφους. Αυτό το ηλεκτρικό πεδίο επιτρέπει στα αρνητικά ιόντα να εκφορτιστούν προς το έδαφος, ενώ τα θετικά φορτία κινούνται προς τα πάνω.

Τα θετικά ιόντα κινούνται προς τα ψηλότερα αντικείμενα γύρω, όπως δέντρα και τηλεφωνικούς στύλους, προσπαθώντας να πλησιάσουν όσο το δυνατόν πιο κοντά στον ουρανό. Όσον αφορά τα αρνητικά ιόντα, κινούνται προς τα κάτω γρήγορα σε έναν πρόδρομο κεραυνού που ονομάζεται «βαθμιδωτός ηγέτης». Αυτή η διαδικασία συμβαίνει πολύ γρήγορα, σε μόνο χιλιοστά του δευτερολέπτου, επομένως είναι πολύ γρήγορη για να τη δει το ανθρώπινο μάτι. Οι δύο ομάδες ιόντων συναντώνται στη μέση, δημιουργώντας μια λαμπρή λάμψη αστραπής. Αν και έτσι συμβαίνουν οι κεραυνοί από σύννεφο σε έδαφος, οι κεραυνοί μπορούν επίσης να μετακινηθούν από σύννεφο σε σύννεφο.

Ο κεραυνός από σύννεφο σε σύννεφο συμβαίνει όταν θετικά και αρνητικά φορτισμένα ιόντα αλληλεπιδρούν μέσα σε περιοχές του νέφους, αγνοώντας το έδαφος. Συνήθως, συμβαίνει σε αντίθετα μισά του ίδιου σύννεφου, αλλά μερικές φορές μπορεί να πυροβολήσει από σύννεφο σε σύννεφο. Ο κεραυνός από σύννεφο σε σύννεφο είναι στην πραγματικότητα ο πιο συνηθισμένος τύπος κεραυνών, με τον φωτισμό από σύννεφο σε σύννεφο να συμβαίνει περίπου δέκα φορές λιγότερο συχνά από τους κεραυνούς από σύννεφο σε σύννεφα.

Φαινόμενα κεραυνών

Ο κεραυνός όχι μόνο δημιουργεί μια εντυπωσιακή λάμψη, αλλά δημιουργεί και πολλή θερμότητα. Ένας κεραυνός θερμαίνει τον αέρα γύρω του στους 25.000 βαθμούς Κελσίου ή περίπου 45.000 βαθμούς Φαρενάιτ. Αυτό είναι περίπου πέντε φορές πιο ζεστό από την επιφάνεια του ήλιου, αν και φυσικά διαρκεί μόνο για ένα κλάσμα του δευτερολέπτου.

Οι περισσότερες περιπτώσεις κεραυνών είναι «αρνητικές αστραπές», που συμβαίνουν επειδή τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια μετακινήθηκαν από το σύννεφο στο έδαφος σε μια συνολική μεταφορά αρνητικών φορτίων. Ωστόσο, συμβαίνουν «θετικοί κεραυνοί», απλώς είναι πολύ πιο σπάνιες. Επειδή ξεκινούν από την κορυφή του σύννεφου αντί από τη βάση, οι κεραυνοί είναι πολύ μεγαλύτεροι και ως αποτέλεσμα πολύ πιο ισχυροί, έως και δέκα φορές ισχυρότεροι από τους αρνητικούς κεραυνούς.

Αυτές οι θετικές αστραπές είναι τόσο ισχυρές που μπορούν να διασπάσουν τα μόρια της ατμόσφαιρας σε ιόντα. Αυτά τα ιόντα είναι τότε ικανά να συγκρούονται με άλλα μόρια στην ατμόσφαιρα όπως το οξυγόνο ή το υδρογόνο, γεγονός που προκαλεί την εκπομπή φωτονίων του κόκκινου φωτός. Αυτά συμβαίνουν συνήθως μόνο στην ανώτερη ατμόσφαιρα, αλλά όταν συμβαίνουν ονομάζονται "κόκκινα ξωτικά".

Ένας άλλος τύπος κεραυνού μπορεί να συμβεί όταν τεράστιες ποσότητες θετικά φορτισμένων ιόντων ορμούν προς τα πάνω στον ουρανό, προσπαθώντας να εξισορροπήσουν το φορτίο στα σύννεφα. Αυτό το φαινόμενο έχει ονομαστεί «μπλε πίδακες» και μπορούν να φτάσουν σε ένα εντυπωσιακό ύψος 40 χιλιομέτρων, αν και διαρκούν μόνο για ένα κλάσμα του δευτερολέπτου.

A Clap of Thunder

Πώς προκύπτει λοιπόν ο κεραυνός από την βροντή; Η βροντή δημιουργείται ως αποτέλεσμα της ταχείας διαστολής του αέρα που περιβάλλει έναν κεραυνό. Όταν εμφανιστεί ένας κεραυνός, ένας δευτερεύων κεραυνός θα επιστρέψει από το έδαφος στα σύννεφα κατά μήκος της ίδιας διαδρομής με τον πρώτο κεραυνό. Αυτή η διαδικασία συμβαίνει εξαιρετικά γρήγορα, σε λίγα μόνο χιλιοστά του δευτερολέπτου, και η θερμότητα που παράγεται από αυτή την επιστροφή του κεραυνού συμπιέζει τον αέρα γύρω από τον κεραυνό.

Ο αέρας δεν έχει χρόνο να διασταλεί, καθώς ο κεραυνός εμφανίζεται τόσο γρήγορα, που σημαίνει ότι συμπιέζεται σε περίπου 10 έως 100 φορές την κανονική ατμοσφαιρική πίεση. Στη συνέχεια, ο αέρας διαστέλλεται γρήγορα προς τα έξω προς κάθε κατεύθυνση, δημιουργώντας μια δυνατή έκρηξη, σε μια διαδικασία παρόμοια με τη δημιουργία μιας ηχητικής έκρηξης. Οι ήχοι αντηχούν και αντηχούν στον αέρα, δημιουργώντας το βουητό που οι άνθρωποι αναγνωρίζουν ως βροντή. Η βροντή μπορεί να ακουστεί από 10-25 μίλια ή λιγότερο μακριά από τον κεραυνό που την προκάλεσε.

Η βροντή ακολουθεί ένα χτύπημα κεραυνού, επειδή η ταχύτητα του ήχου μέσω του αέρα είναι πολύ πιο αργή από αυτή της ροής ηλεκτρονίων που δημιουργεί κεραυνούς. Ο ήχος αντηχεί προς τα έξω σαν ωστικό κύμα, που εξαπλώνεται από την πηγή. Εν τω μεταξύ, το φως από το φλας φτάνει στα μάτια μας σχεδόν αμέσως.

Είναι ακόμα λίγο μυστήριο

Ενώ γνωρίζουμε πολλά για τις συνθήκες που απαιτούνται για τη δημιουργία κεραυνών, υπάρχουν ακόμα πολλά που είναι άγνωστα σχετικά με το πώς δημιουργείται ο κεραυνός. Είναι μια περίπλοκη διαδικασία και υπάρχει μεγάλη συζήτηση στην επιστημονική κοινότητα σχετικά με την ακριβή διαδικασία που δημιουργεί κεραυνούς, όπως το πώς το σύννεφο αποκτά ηλεκτρικό φορτίο αρχικά.

Μια θεωρία υποστηρίζει ότι οι κοσμικές ακτίνες από το διάστημα εκτοξεύονται μέσω των νεφών και απογυμνώνουν τα ηλεκτρόνια από τα άτομα καθώς κινούνται προς την επιφάνεια της Γης. Αυτές οι κοσμικές ακτίνες θα έσερναν τα αρνητικά φορτισμένα σωματίδια προς τη βάση του νέφους καθώς πηγαίνουν, κάτι που θα οδηγούσε στην ανισορροπία του φορτίου που είναι απαραίτητη για τη δημιουργία κεραυνών. Ωστόσο, αυτό φαίνεται ανεπαρκές για τη δημιουργία της τεράστιας ανισορροπίας ιόντων στις καταιγίδες, επομένως γίνεται περισσότερη έρευνα σχετικά με τη διαδικασία.

Ο κεραυνός αμφισβητεί μεγάλο μέρος της κατανόησής μας για τη φυσική, αλλά με κίνητρο την επιθυμία να κατανοήσουμε αυτές τις διαδικασίες, οι επιστήμονες συνεχίζουν να σημειώνουν πρόοδο στην έρευνά τους.