Czy w czasie burzy możesz czuć się bezpiecznie? Komentarz eksperta UMCS

Czym jest detekcja wyładowań atmosferycznych i jak działają detektory? Zachęcamy do zapoznania się z kolejnym komentarzem z cyklu „Okiem eksperta” realizowanym przez Centrum Prasowe. Swoją wiedzą dzieli się tym razem dr Marek Kopciuszyński z Instytutu Fizyki UMCS.

Przy okazji sezonu burzowego, a chyba znacznie częściej po przejściu gwałtownych burz, dużo mówi się o bezpieczeństwie. Dzięki temu praktycznie każdy wie, że podczas burzy najlepiej pozostać w budynku, ewentualnie w samochodzie, a jeśli jesteśmy na zewnątrz, to trzeba zejść ze wzniesienia, pamiętając o tym, żeby nie chować się pod drzewami. Mimo to wypadki porażenia przez wyładowanie atmosferyczne (często śmiertelne) się zdarzają. W tym artykule spróbuję przyjrzeć się nieco dokładniej tym wyżej wymienionym, uniwersalnym radom dot. schronienia przed burzą. Dodatkowo wyjaśnię, jak obecnie działają systemy detekcji wyładowań atmosferycznych, dzięki którym wiadomo, gdzie aktualnie jest burza. Tego typu informacje zwykle pozwalają zorientować się, na ile w danym momencie i miejscu to zjawisko meteorologiczne faktycznie nam zagraża.

Co zrobić w czasie burzy, gdzie się schronić?

Burza to zjawisko meteorologiczne związane z występowaniem wysokich chmur przypominających swoim kształtem kowadło o nazwie Cumulonimbus. Burzy towarzyszą zwykle porywisty wiatr, silne opady deszczu, a często też gradu, oraz wyładowania atmosferyczne. Każde z tych zjawisk może być niebezpieczne, ale w tym artykule skupimy się tylko na zagrożeniu związanym z wyładowaniami atmosferycznymi.

Najbezpieczniejszym miejscem, w którym możemy się schronić w przypadku burzy, jest budynek wyposażony w instalację odgromową (piorunochron). Jeśli w taki obiekt trafi piorun, to prąd zostanie odprowadzony do ziemi poprzez sieć specjalnych przewodów. Jeśli budynek nie posiada takiej instalacji, to istnieje ryzyko, że uderzenie pioruna wywoła przepięcie w sieci elektrycznej (nagły skok napięcia) albo, co gorsza, wybuchnie pożar. Nadal jednak będzie to lepszą opcją niż pozostawanie na zewnątrz.

Często mówi się o tym, że bezpiecznie jest pozostać w samochodzie, gdyż samochód jest swego rodzaju „klatką Faradaya”, czyli rodzajem „metalowej puszki”, wewnątrz której, zgodnie z prawami elektrostatyki, wypadkowe pole elektryczne będzie równe zero, a prąd z wyładowania spłynie po karoserii, nie zagrażając osobom siedzącym w środku. W zasadzie jest to prawdą, należy jednak zwrócić uwagę, że obecnie wiele elementów karoserii jest wykonanych z nieprzewodzących materiałów (szklane dachy, plastikowe błotniki, itp.). Z tego powodu prąd z wyładowania atmosferycznego może mieć utrudnioną drogę do ziemi, i o ile samochód nadal będzie względnie bezpiecznym schronieniem, o tyle sam najprawdopodobniej znacznie ucierpi.

Największym zagrożeniem będzie jednak burza, która zastanie nas na zewnątrz, na otwartej przestrzeni, albo co gorsza w górach, zwłaszcza, gdy jesteśmy na pewnym wyniesieniu terenu. O ile ogólne zasady są proste – jak najszybciej zejść ze wzniesienia, nie chować się pod drzewami, masztami itp., o tyle w praktyce sytuacja jest nieco bardziej skomplikowana.

Chciałbym się tutaj przyjrzeć bliżej pewnemu paradoksowi. Jeśli jesteśmy na względnie płaskiej, otwartej przestrzeni, to nie powinniśmy się chować pod drzewem, bo istnieje duże ryzyko, że piorun trafi w to drzewo jako w najwyższy w okolicy obiekt. Jednak jeśli będziemy daleko od takiego samotnego drzewa, to my sami będziemy w danej okolicy najwyższym obiektem. Co zatem wybrać? Czy przemieszczając się pieszo pomiędzy wysokimi budynkami albo przebywając w dolinie, mając wokół siebie wysokie szczyty, możemy czuć się bezpiecznie w czasie burzy?

Istnieje chyba dość powszechne przekonanie, że pioruny uderzają w najwyższe obiekty. Wyładowanie atmosferyczne jest jednak nieco bardziej złożonym zjawiskiem niż „iskrą”, która przeskakuje między chmurą burzową a punktem na ziemi po najkrótszej możliwej drodze. Błyskawica, którą widzimy w czasie burzy, to tzw. wyładowanie główne, przed nim pojawia się cała sieć wyładowań pilotujących. Wyładowania te rozchodzą się w wielu kierunkach, tworząc liczne rozgałęzienia. Ten proces jest ciągle słabo zbadany, ale wiemy, że wyładowania pilotujące poruszają się w sposób skokowy, tworząc sieć względnie prostych odcinków o średniej długości skoków równej w przybliżeniu 50 m. Po takim skoku następuje krótka przerwa i „pilot” porusza się w dość przypadkowym kierunku o kolejne 50 m. Gdy wyładowanie pilotujące zbliża się do ziemi, jednocześnie pojawia się sieć zjonizowanych kanałów, które inicjują wyładowanie „od dołu”. Tutaj znaczenie ma typ obiektu i jego kształt, gdyż jonizacja zachodzi najefektywniej w pobliżu metalowych, ostro zakończonych przedmiotów. W pewnym momencie jedno z pilotujących wyładowań styka się z wyładowaniem, które powstaje od obiektów znajdujących się na ziemi, a kanał zjonizowanego powietrza jest wykorzystany przez wyładowanie główne, którym może popłynąć prąd rzędu 50 000 A (dla porównania prąd płynący w przewodzie zasilającym czajnik elektryczny to około 10 A).

Z tej wiedzy na temat przebiegu wyładowania wynika cała metodologia tworzenia instalacji odgromowych. Po pierwsze, piorunochrony są ostro zakończone, aby ułatwić jonizację powietrza i niejako przyciągnąć do siebie wyładowanie. Po drugie, musimy założyć najczarniejszy scenariusz, czyli w przypadku wysokiego budynku nadal nie możemy wykluczyć takiej sytuacji, że jedno z wyładowań pilotujących, które porusza się „na oślep”, zawędruje gdzieś obok i uderzy w niższy obiekt. Można to podsumować w ten sposób, że piorun nie wybiera najkrótszej drogi z chmury do ziemi, ale przeskakuje z jednego punktu do następnego, poszukując najbardziej korzystnej drogi za każdym razem w promieniu około 50 m.

W celu oceny, czy założone rozmieszczenie piorunochronów będzie skuteczne, stosuje się m.in. tzw. metodę toczącej się kuli. Najprościej można sobie tę metodę wyobrazić w ten sposób, że przy określonej zabudowie wyposażonej w instalację odgromową, jeśli weźmiemy sferę o promieniu około 50 m, to bez względu na to, gdzie taką kulę umieścimy, to powinna ona zawsze wspierać się na przewodach tworzących sieć piorunochronów, co zostało zilustrowane na poniższym rysunku. Dla lepszego wyobrażenia skali taka sfera o promieniu 50 m (średnicy 100 m) byłaby nieco wyższa od budynku rektoratu UMCS.

Warto też od razu wyjaśnić, że we wspomnianej metodzie używa się sfer o różnych promieniach od 20 do 60 metrów – w zależności od tego, w jak dużym stopniu powinien być chroniony dany obiekt. Im promień sfery używanej do symulacji jest mniejszy, tym wyższy stopień ochrony – mniejsze jest ryzyko, że wyładowanie trafi w punkt, który nie jest zabezpieczony piorunochronem.

Rys. 1. Na rysunku zaznaczono kolorem czerwonym obszary na ziemi bezpośrednio narażone na uderzenie pioruna. Kolor zielony oznacza obszary względnie bezpieczne. Jeśli wysokie budynki (powyżej 10 pięter) są dostatecznie blisko siebie (odległość między nimi jest mniejsza niż 100 m), to nawet jeśli wyładowanie pilotujące dotrze do punktu A – dokładnie między nimi – to nadal będzie mieć najkrótszą drogę do jednego z budynków. Jeśli jednak jedno z wyładowań pilotujących dotrze np. do punktu B, to równie prawdopodobne jest, że wyładowanie główne nastąpi w budynek, grunt lub pobliskie drzewo – mimo, że obok znajduje się 16- piętrowy wieżowiec.

Okazuje się, że już w odległości około 50 m od wysokiego budynku istnieje ryzyko, iż zostaniemy bezpośrednio porażeni przez wyładowanie atmosferyczne. Przy niższych budynkach, czy innych obiektach o wysokości rzędu 10 m (drzewa, latarnie, dom jednorodzinny) można w przybliżeniu powiedzieć, że „bezpieczny” obszar będzie mniej więcej w promieniu 20-30 m od obiektu. Mam tu jednak na myśli bezpieczeństwo, które polega na tym, że nie zagraża nam bezpośrednie porażenie przez wyładowanie atmosferyczne. Zagrożeniem jest jednak również prąd, który rozchodzi się w gruncie (ziemi) od obiektu trafionego przez wyładowanie. Ponieważ podłoże ma zwykle stosunkowo duży opór, to na powierzchni gruntu będziemy mieć bardzo dużą różnicę napięć w miarę oddalania się od danego obiektu. Okazuje się, że stojąc w niewielkim rozkroku, może się zdarzyć, że różnica potencjałów między naszymi nogami (tzw. napięcie krokowe) będzie na tyle duża, że wywoła przepływ prądu przez nasze ciało zagrażający naszemu życiu.

Z tego powodu nigdy nie należy kłaść się na ziemi w czasie burzy. Minimalizujemy wówczas ryzyko bezpośredniego porażenia, ale jesteśmy szczególnie narażeni na porażenie pochodzące od prądu rozchodzącego się w ziemi, na skutek wyładowania w pobliskie obiekty. Najlepiej jest przykucnąć albo usiąść np. na plecaku czy karimacie.

Detekcja wyładowań atmosferycznych

Znacznie łatwiej znaleźć odpowiednie schronienie czy zadbać o własne bezpieczeństwo, gdy zawczasu będziemy wiedzieć, że w naszą stronę zbliża się chmura burzowa. Zwykle, kiedy widzimy błyski i słyszymy grzmoty, burza jest już w naszym bezpośrednim otoczeniu. Warto pamiętać regułę, że odstęp czasu między błyskiem a grzmotem równy trzy sekundy, mówi o tym, że wyładowanie nastąpiło około 1 km od nas (to bardzo blisko!).

Znacznie wcześniej dowiemy się o nadchodzącej burzy, śledząc serwisy dostarczające takich informacji, np. – www.burza.umcs.lublin.pl, blitzortung.org czy strona IMGW.

Jak to działa?

We wspominanym „tricku” polegającym na liczeniu sekund między błyskiem a grzmotem zakładamy, że błysk, który towarzyszy wyładowaniu, dociera do nas natychmiast, natomiast dźwięk, który rozchodzi się z prędkością około 340 m/s nadchodzi z opóźnieniem. Jednak samo światło również porusza się ze skończoną prędkością rzędu 300 000 km/s, czyli w ciągu jednej milionowej części sekundy pokonuje odległość 300 m. Przykładowo, gdyby wyładowanie nastąpiło w połowie odległości między Lublinem a Rzeszowem, to sygnał dotarłby do obu tych miast po około 240 μs (μs to jedna milionowa części sekundy). Nie wiemy, od jakiego momentu rozpocząć odliczanie, ale jeśli sygnał dotrze do obu miast w tym samym momencie, to mamy pewność, że wyładowanie nastąpiło w równej odległości od obu miast (niekoniecznie w połowie drogi). Jeśli sygnał z wyładowania dotrze do Lublina wcześniej, to znaczy, że wyładowanie nastąpiło bliżej miasta Lublin. Różnica zarejestrowanego czasu dotarcia sygnału pozwala nam tutaj ustalić lokalizację wyładowania mniej więcej na linii północ-południe. Potrzebna jest kolejna para detektorów, które zlokalizują wyładowanie na linii wschód-zachód, np. w Zamościu oraz w Kielcach.

W praktyce jest to nieco bardziej skomplikowane, dokładniejszy opis można znaleźć np. pod tym linkiem.

Trzeba jednak rozwiązać jeszcze trzy problemy. Po pierwsze, widzialny przez nas błysk może być zarejestrowany raptem od kilku do kilkudziesięciu kilometrów od wyładowania. Po drugie, potrzebny jest precyzyjny zegar, a po trzecie, zegary przy różnych detektorach muszą być ze sobą zsynchronizowane.

Szczęśliwie się składa, że oprócz widzialnego błysku, wyładowanie atmosferyczne generuje również silny impuls w szerokim zakresie fal radiowych. Najkorzystniej jest wybrać zakres odpowiadający falom długim, gdyż promieniowanie w tym zakresie odbija się od jonosfery i może przemierzać odległości rzędu tysięcy kilometrów. Niektórzy być może pamiętają jeszcze dawne odbiorniki radiowe, które pozwalały odbierać Program Pierwszy Polskiego Radia na falach długich. Gdy zbliżała się chmura burzowa, to słychać było charakterystyczne trzaski, które zakłócały odbiór. Właśnie takie „trzaski” są rejestrowane przez współczesne detektory wyładowań atmosferycznych.

Problem dokładnego pomiaru czasu nie jest aż tak dużym wyzwaniem, bo nawet zwykły zegarek kwarcowy noszony przez nas na ręce, ma często dokładność pomiaru jednej sekundy na poziomie kilku mikrosekund, co przekłada się na dokładność lokalizacji wyładowania rzędu kilku kilometrów. Oczywiste jest także, że nieco lepszy zegar będzie jeszcze bardziej precyzyjny.

Większym wyzwaniem jest synchronizacja zegarów we wszystkich detektorach. Tutaj jednak z pomocą przychodzi system GPS. Oprócz tego, że pozwala on zlokalizować odbiornik, to również wysyła w odstępach 1-sekundowych sygnał synchronizujący, który może być użyty do synchronizacji odbiorników, jak również do korekty czasu mierzonego przez wewnętrzny zegar zainstalowany przy każdym detektorze. Potrzebna jest cała sieć takich detektorów, jedną z nich jest np. system PERUN należący do IMGW. Innym, chyba nawet ciekawszym systemem, jest społecznościowa sieć Blitzortung, w której detektory są budowane przez „zwykłych ludzi”, a zebrane od wszystkich dane są wykorzystywane do obliczania lokalizacji wyładowań atmosferycznych.

Kilka lat temu, kiedy sieć ta nie była jeszcze zbyt popularna w Polsce, wraz z innymi osobami z Koła Naukowego Studentów Fizyki UMCS zbudowaliśmy jeden z takich detektorów, który został podłączony do sieci Blitzortung.org. Detektor dostarczał dodatkowych danych i dzięki temu możliwa była nieco lepsza lokalizacja wyładowań na terenie Polski czy sąsiednich krajów. Na ten moment nasz detektor już nie funkcjonuje, bo też sama sieć rozrosła się do tego stopnia, że na terenie Polski mamy tych stacji ponad 60. Dla porównania system PERUN należący do IMGW posiada 12 stacji, i jest to liczba wystarczająca, jeśli stacje są umieszczone w odpowiednich lokalizacjach.

Dzięki uprzejmości sieci Blitzortung UMCS nadal otrzymuje dane o wyładowaniach, które są prezentowane na stronie www.burza.umcs.lublin.pl. Strona ta, w odróżnieniu od licznych serwisów tego typu, została zbudowana w sposób aby mogła działać możliwie jak najwydajniej. Jest to istotne w sytuacji, gdy korzystamy z przeglądarki w telefonie na obszarze, gdzie połączenie z internatem nie jest najlepsze i jednocześnie chcemy oszczędzać baterię naszego telefonu. Możemy dzięki temu szybko zorientować się, czy w naszym otoczeniu zarejestrowane zostały wyładowania atmosferyczne i w porę poszukać odpowiedniego schronienia.

Wrócę jeszcze na koniec do wspomnianego dylematu z samotnym drzewem na otwartej przestrzeni. Jeśli chodzi o mój osobisty wybór, to jednak wolałbym schować się (przykucnąć) w pewnej odległości, rzędu kilku, kilkunastu metrów od takiego samotnego drzewa niż pozostawać na całkowicie otwartej przestrzeni – statystycznie byłoby tak po prostu bezpieczniej.

*Dr Marek Kopciuszyński – adiunkt w Katedrze Fizyki Powierzchni i Nanostruktur UMCS. Prowadzi badania naukowe z zakresu nanofizyki, fizyki powierzchni oraz fizyki ciała stałego. Interesuje się także programowaniem mikrokontrolerów, robotyką oraz meteorologią. Od 2019 r. jest opiekunem merytorycznym Pracowni Elektroniki w Instytucie Fizyki UMCS. Obecnie pracuje w Ośrodku promieniowania synchrotronowego Elettra w Trieście.

(fot. pixabay.com, nadesłane UMCS, źródło UMCS)