Piorunochrony i wcześniejsze sposoby ochrony przed wyładowaniami atmosferycznymi

piorun i jego powstawanie

Na całej Ziemi jednocześnie występuje 2000–4000 burz. W ciągu 1 sekundy w atmosferze Ziemi obserwuje się około 100 wyładowań elektrostatycznych, z czego 1/3 uderza w ziemię, a 2/3 to wyładowania między chmurami burzowymi. Mimo że wyładowania występują na całym świecie, najczęściej dochodzi do nich na obszarach tropikalnych. W naszych warunkach klimatycznych najczęściej burze występują w czerwcu i lipcu. Wyładowanie takie może być inicjowane przez wysoką budowlę, w której otoczeniu występuje silne pole elektryczne. W terminologii językowej niektórych krajów, np. Francji, Hiszpanii nazwa piorun (foudre, rayo) znaczy wyładowanie uderzające w ziemię, natomiast błyskawica (eclair, relampago) – wyładowanie między chmurami.

Piorun jest wyładowaniem elektrycznym o znacznym natężeniu, występującym w atmosferze od chmur burzowych. Na dnie chmury zgromadzony jest duży ładunek ujemny, który powoduje wytworzenie między Ziemią różnicy potencjału elektrycznego rzędu 20 do 30 milionów woltów. Jeżeli potencjał chmury osiągnie wartość krytyczną, następuje jonizacja powietrza, a następnie wyładowanie elektryczne. Typowe wyładowanie odgórne rozpoczyna się od ładunku ujemnego chmury i rozwija się skokowo, w kierunku ziemi. Rozwijający się lider zwany też prekursorem, nie ma początkowo ustalonego celu. Nie posiada też jasności, jak błyskawica. Miejsce trafienia jest wybierane w końcowej fazie wyładowania na wysokości kilkudziesięciu metrów nad ziemią. Zjonizowana droga, w której poruszają się ładunki elektryczne, tworzy wstępny kanał przewodzący. Kanał ten przygotowuje drogę wyładowaniu głównemu.

Po osiągnięciu przez lidera miejsca trafienia na ziemi, następuje intensywne wyładowanie powrotne do chmury wzdłuż zjonizowanego kanału. Widoczny przez obserwatorów piorun biegnie od Ziemi do chmury i nazywa się wyładowaniem powrotnym. Typowy piorun ma kilka takich cykli i trwa około 0,5 s. W przybliżeniu 1/3 piorunów uderzających w ziemię wybiera różne tory kolejnych cykli wyładowań i uderza w różnych punktach, dając na fotografiach charakterystyczny rozgałęziony obraz. Podczas wyładowania powrotnego powstaje bardzo jasne światło. Wyładowanie powrotne ogrzewa zjonizowany kanał do temperatury około 30 000°C, powodując ekspansję powietrza, która tworzy efekt akustyczny zwany grzmotem. Typowy piorun wykonuje kilka takich cykli, a zjawisko trwa około 0,5 sekundy.

Źródłem zagrożenia w czasie burzy są prądy udarowe płynące podczas wyładowań odgórnych. Wyładowanie elektryczne pioruna osiąga natężenie około 30 kA w czasie kilku mikrosekund. Przyjmuje się, że około 5% wyładowań może osiągnąć natężenie większe od 100 kA.

Podczas uderzenia pioruna, obiekt, w który uderzył, styka się bezpośrednio z głównym kanałem lub z którymś kanałem bocznym. Uderzając w jakikolwiek obiekt piorun oddziaływuje cieplnie i mechanicznie.

Piorun często wybiera obiekt niższy, lecz dobrze uziemiony o lepszej przewodności elektrycznej. Nie bez znaczenia jest skład geologiczny, wilgotność gleby oraz przewodność elektryczna warstw ziemi. Inną przewodność elektryczną ma skała, inną piasek, jeszcze inną glina. Podkład gliny ma lepszą przewodność od piasku. Piorun wybiera drogę o najmniejszej rezystancji. Rzeka płynąca w nierównym terenie jest częściej trafiana piorunem, pomimo istnienia w pobliżu znacznych wyniesień.

Pioruny bardzo często uderzają w drzewa. Stwierdzono, że najczęściej pioruny uderzają w drzewa liściaste, topole, wierzby, jawory, morwy i jesiony, ponieważ zawierają dużo skrobi będącej dobrym przewodnikiem. Buk, orzech włoski, brzoza, jodła, świerk zawierają większą ilość żywic i dlatego mają większą oporność. Główna przyczyna tkwi jednak w korze drzewa i jego wilgotności. Wpływ kory drzewa można wyjaśnić zmianą wartości jej oporu elektrycznego w zależności od absorpcji wilgoci. Drzewo o szorstkiej i chropowatej korze, np. dąb, ma podczas deszczu większą wilgotność od drzewa o gładkiej korze, jak np. buk. Oznacza to, że dąb ma lepszą przewodność elektryczną od buku i w dęby pioruny częściej uderzają niż w buki. Topole rosną często w pobliżu wody na mokrym gruncie, dlatego pioruny często w nie uderzają. Woda zawarta w drzewie podczas uderzenia silnie ogrzewa się i paruje. Proces ten przebiega w sposób gwałtowny i ma charakter wybuchu.

Zauważono, że pioruny częściej uderzają w wieże kościelne murowane z cegieł niż z kamienia. Namoknięta deszczem cegła oraz spojeniowa fuga stawały się przewodnikiem prądu elektrycznego podczas wyładowania atmosferycznego. Dachy w dawnych kościołach często pokrywano łupkiem łyszczykowym. Zawierał on mikę i posiadał dużą rezystywność.