Wstęp
Pioruny - najbardziej przerażająca sila
przyrody, od wieków siejąca postrach pośród ludzi. Już
w starożytności ludzie próbując opisać świat i
napotykając na rzeczy niewyjaśnialne uważali je za
dzieło bogów. Zeus gromowładny we wierzeniach starożytnych
miał władzę nie tylko nad gormami ale i nad całą
resztą świata żywych. Świadczy to o wielkości sił
przyrody jaką ludzie dostrzegali pod zjawiskiem pioruna.
Dopiero od czasów Franklina, który ze
swoim latawcem zapoczątkował rozwój badań nad
elektrycznością nastąpił przełom w pojmowaniu czym
jest piorun. Dziś, po ponad dwu stuleciach badań nad
piorunami naukowcy wciąż nie są do końca pewni jak
powstaje błyskawica.
Poniżej chciałbym opisać dotychczasową
wiedzę na temat zabezpieczeń stosowanych przez człowieka
w obliczu siły przyrody jaką jest piorun. W opracowaniu
tego tematu poświęcam szczególną uwagę nad
zachowaniem bezpieczeństwa na jachtach. Lecz aby dobrze
się zabezpieczyc należy wpierw poznać zjawisko, co
opisuje w następnych dwu rozdziałach.
Czym jest piorun
Pioun sam w sobie jest przepływem
energii elektrycznej. W mniejszej skali można to
zaobserwować jako elektrostatyczny przeskok iskry pomiędzy
dwoma ciałami. Zdarza się to dosyć często jeżeli np.
naładowani poprzez tarcie dywanu lub innego materiału
zbliżymy rękę do metalowego przedmiotu - niegroźny,
mały piorun przeskoczy wtedy z ręki w kierunku
przedmiotu. Dzieje się tak gdy jesteśmy naładowani ładunkami,
a one mając w pobliżu miejsce obojętne elektrycznie,
lub naładowane przeciwnymi ładunkami wywołoują w
powietrzu wyładowanie elektryczne. Im więcej jest
nagromadzonych ładunków i im większa jest różnica ładunków
występujących na przedmiotach tym na większą odległość
może przeskoczyć iskra. Również dużą rolę w tym
zjawisku odgrywa wilgotność powietrza - im większa tym
łatwiej dochodzi do wyładowania, niebagatelną rolę
spełnia również kształt przedmiotu - na przedmiotach
wypukłych gromadzą się ładunki, zaś na przedmiotach
wklęsłych ładunki gromadzą się po drugiej stronie.
Przeskok iskry w powietrzu polega na
wzbudzeniu na jego trasie cząsteczek, stających się w
stanie wzbudzenia przewodnikami. Wiązania zostają
rozbite, tworzy się plazma w której elektrony mogą się
swobodnie poruszać. W tym kanale plazmowym zostają
przetransportowane ładunki elektryczne znajdujące ujście
w ziemi. W rzeczywistości tych kanałów tworzy się
kilkanaście, kilkadziesiąt, które dążą do celu po różnych
drogach tworząc specyficzne odgałęzienia.
Natężenie prądu płynące przez piorun
może wynieść od 2'000A aż do ponad 200'000A z
wzrostem natężenia do maksymalnego w czasie mniej niż
10 mikrosekundy. Przy pomocy satelity badawczego BS6651
wypuszczonego przez NASA naukowcy zbadali średnie natężenie
prądu płynącego przez błyskawicę:
- 1% uderzenia ponad 200kA
- 10% uderzenia ponad 80kA
- 50% uderzenia ponad 28kA
- 90% uderzenia ponad 8kA
- 99% uderzenia ponad 3kA
Jak powstaje piorun
Pioruny w przyrodzie powstają w wyniku
nagromadzenia się ładunków elektrycznych w chmurach.
Powietrze krążące w chmurze powoduje tarcie cząsteczek
wody i lodu. W chmurach burzowych to zjawisko przyjmuje
dość gwałtowny przebieg. Gwałtowne przemieszczanie w
górę i w dół mas powietrza w chmurze powoduje ładowanie
chmury ładunkami. Dokładny mechanizm powstawnia ładunków
nie jest jeszcze znany. Powstałe ładunki dodatnie
gromadzą się na bryłkach lodu na górnym krańcu
chmury, zaś naładowana ujemnie woda u spodu chmury.
W myśl zasady przyciągania ładunki różnoimienne
będą się przyciągały, jeżeli natrafią na przeszkodę
gromadzą się tam aż powstała różnica potencjałów
pozoli uzyskać na tyle dużą energię by przebić się
przez przeszkodę. Może to być wyładowanie pomiędzy różnymi
chmurami, między różnymi obszarami jednej chmury,
ziemią lub wodą.
Podczas ładnej pogody ziemia jest naładowana
ujemnie a górna atmosfera niesie ze sobą dodatni ładunek.
W tej konwencji rezultatem jest pole elektrostatyczne
dodatnie typowo 100V/m. Jednak gdy pogoda się pospsuje i
nadejdą chmury burzowe natężenie pola elektrycznego może
przekroczyć wartość 20kV/m. Pole o takim natężeniu
może zapoczątkować wyładowanie na ostrych
przedmiotach takich jak czubki anten i masztów. Te
obiekty jako przewodniki są pod tym samym potencjale na
całej swojej długości co przy poziomym ułożeniu
powierzchni ekwipotencjalnych pola powoduje jego mocne
zagęszczenie na czubku masztu czy też anteny. Zagęszczone
pole elektryczne powoduje emisję elektronów z ostrych
krawędzi przedmiotów. Żeglarze zjawisko to zwą
ogniami Św. Elma które występują na czubku masztów
podczas burz. Emisja elektronów nie wsytępuje jednak
tylko na statkach, głównie można je zauważyć w górach
będących naturalnym wyniesieniem i powodujących duże
zagęszczenie pola elektrycznego. Ludzie uprawiający
wspinaczkę często doświadczają fenomenu stojących włosów
oraz iskrzących rąk w krańcowych warunkach burzowych.
Rozładowanie ładunków statycznych
Ładunki statyczne jak wcześniej zostało
opisane są powodem powstawania piorunów. Najprostszym
sposobem na zmniejszenie prawdopodobieństwa uderzenia
piorunem jest odprowadzenie ładunków znajdujących się
na zagrożonym przedmiocie. Operacja ta ma sens jedynie
gdy przedmiot jest izolowany i gromadzą się na nim ładunki.
Przy większym natężeniu pola ładunki elekryczne
przyciągane przez przeciwne znajdujące się w chmurze
same będą się zbierały na końcach wysokich przedmiotów.
Może nawet dojść do ucieczki ładunków z końców
ostrych przedmiotów - masztów, drzewców itd. zjawisko
to zwie się ogniami Św. Elma zatrwarzających żeglarzy
w dawnych czasach. Do ochrony przed ładunkami
statycznymi gromadzącymi się na końcu masztu i zwiększającymi
prawdopodobieństwo uderzenia piorunem można stosować
odprowadzacze ładunków, które ułatwiają ich odpływ
ku górze. Instalacja taka wygląda jak miotła zwrócona
szczeciną ku górze - zgromadzonym ładunkom bardzo łatwo
się wydostać z ostro zakończonych, cienkich końcówek
drutu. Wiąże się to z dużym zacieśnieniem pola
elektromagnetycznego w pobliżu ostrych krawędzi.Ten typ
urządzenia jest stosowany w wieżach radiowych, słupach
wysokiego napięcia i wieżach z nadajnikami
mikrofalowymi zwłaszcza na Zachodzie.
Co daje uziemnianie
Uziemnienie masztu powoduje, że na jego
topie (czubku) panuje taki sam potencjał jak na otaczająceej
nas wokoło wodzie. Jako, że pioruny aby pokonać drogę
muszą wykonać pracę będą się starały wykonać jej
jak najmniej (wszystko dąży do lenistwa) tak więc będą
się starały trafiać w punkty najwyższe oraz w te
punkty, w których różnica potencjału pomiędzy chmurą
jest największa. (Większe napięcie = większa energia).
Jak dobrze odprowadzić energię pioruna
Z zasad fizyki wynika, że w środku
pomieszczenia oplecionego dookoła przez przewody pole
elektryczne zewnętrzne nie dociera - taki system stanowi
doskonałe ekranowanie przed polem dochodzącym z zewnątrz.
Pomieszczenie i jego właściwości po oplecieniu przez
przewody zostało zbadane przez Faradaya i nosi od jego
nazwiska nazwę klatka Faradaya. Wszystkie instalacje
odgromowe składają się właśnie z przewodów otaczających
chroniony obiekt stanowiąc dużą klatkę Faradaya.
Oczka w tej klatce mogą być bardzo duże, mimo to
klatka nie traci swoich właściwości w obliczu pioruna.
Problem polega na bardzo dokładnym połączeniu poszczególnych
przewodów oraz ich dobrym uziemnieniu. Strefa chroniona
dobrym uziomem ma kształt stożka którego powierzchnia
boczna jest nachylona od kątem 60 stopni do wystająego
uziomu.
Zazwyczaj uziemnienie jest wykonane z
wbitego do ziemi długiego metalowego pręta, można również
skorzystać z zakopanej blachy czy też beczki, wykonując
uziemnienie należy pamiętać, że w tym miejscu będzie
płynął prąd o dość znacznym natężeniu.
Sprawa komplikuje się gdy przebywamy na
wodzie. Wysoki maszt stanowi jedyny wysoki punkt w
okolicy przez co jesteśmy narażeni z większym
prawdopodobieństwem na uderzenie piorunem. W tym celu
stosuje się na jachtach różne instalacje odgromowe.
Najprostszą z nich jest połączenie wszystkich want,
sztagu i achtersztagu z wodą. Zakładając, że
olinowanie stałe jest elektrycznie połączone do
aluminiowego masztu klatka Faradaya na jachcie będzie
obejmować większą powierzchnię jachtu. Połączenie
olinowania z wodą może odbyć się przy pomocy grubej,
miedzianej taśmy lub drutu.
Prostszym sposobem jest elektryczne połączenie
masztu z balastem najlepiej w kilku punktach,
niebezpiecznym w tej sytuacji może stać się zardzewiałe
połączenie - energia uderzenia może wykazywać
tendencje do penetracji kabiny jachtu. Połączenie
uziemnienia można również przeprowadzić przez wał
silnika do śruby.
Aby zminimalizwać niebezpieczeństwo
powstania wewnątrz kabiny przejść energii pomiędzy różnymi
przedmiotami warto by było wszystkie metalowe przedmioty
uziemnić - potencjał na wszystkich urządzeniach będzie
identyczny co zminimalizuje penetracje piorunu wewnątrz
kabiny.
System uziemniający sprzęt
elektroniczny oraz pozostałą część kabiny powinien
być odseparowany od głównego przewodu odgromowego i
posiadać własne uziemnienie.
Do uziemnienia na jachcie najlepiej
nadaje się brąz, miedź, metale nie podlegające
korozji, ważne również jest aby system odgromowy był
niepodatny na korozję.
Czego można się spodziewać po
uderzeniu piorunem
Jakkolwiek dobrze zabezpieczyliśmy się
przed trafieniem pioruna stosując systemy odprowadzenia
ładunków statycznych, nigdy nie możemy byc pewni 100%
że unikniemy trafienia. W przypadku trafienia główna
energia piorunu będzie podążała najkrótszą drogą
ku uziemnieniu - wodzie. Zdarzały się sytuacje, gdy
system odgromowy nie wytrzymywał natężenia i
eksplodował, a piorun przechodził przez dno wypalając
dziurę.
Zabezpieczenie elektroniki
Jednym z efektów uderzenia pioruna jest olbrzymie
pole elektromagnetyczne towarzyszące przepływowi
ogromnych natężeń. Nawet w odległości kilkuset metrów
czułe przyżądy mogą wykazywać anomalie w działaniu.
Przykładem tu może być radio i zakłócenia
wprowadzane przez wyładowania atmosferyczne do
transmisji. Większość bardzo czułych urządzeń
elektronicznych zabezpieczonych jest klatką Faradaya.
Doraźnie klatkę taką można stworzyć zawijając urządzenie
w zwykłą kuchenną folię aluminiową. Zminimalizować
ryzyko uszkodzenia sprzętu można również odłanczając
go od instalacji elektrycznej jak i antenowej.
Łodzie metalowe a pioruny
Jedną z wielkich zalet łodzi z
metalowymi kadłubami to duża powierzchnia styku z wodą,
co pozwala wyeliminować ładunek statyczny oraz bardzo
dobrze odprowadzić ewentualną energię uderzenia
piorunem. Jedynymi stratami może być przypalona farba
na burcie i w miejscu trafienia. Uderzenie piorunem w
blachę grubości 2 mm może wypalić w niej dziurę o średnicy
kilku mimlimetrów.
Przypadki trafienia
Z listy dyskusyjnej pl.rec.zeglarstwo
Date: Sat, 27 Dec 1997 03:43:31
+0100
From: Radoslaw Saniewski
Jakies dziesiec lat temu
piorun pierdyknal w El Bimbo stojace na kotwicy
w Wygrynach. Palilo sie kilka minut, po czym zostal
fajans nie do
opisania. Wypalilo zywice, zostalo wlokno...
Facetka - wlascicielka byla podobno wtedy w Stanach,
na lodce nikogo nie
bylo, ale szans na przezycie nie mialby :-(((
W kazdym razie jak porzadnie fasoli gdzies w poblizu,
to od tamtej pory
zapobiegawczo klade maszt ;-)
From: "Pawel Czechowicz"
Date: 18 Jan 1998 17:59:23 GMT
Marek Matula napisał(a) w artykule
> Chyba nie. Przeciez w czasie burzy zazwyczaj
jest duzy wiatr czyli
> duza fala czyli mokry poklad - taka "instalacja"
nic by wtedy nie
> dala...
Wydaje mi sie ze dala by oczekiwany rezultat.
Wg katalogu w ktorym wspomniany piorunochron
znalazlem na rysunku zaznaczone jest, ze
podlaczamy kawal stalowej (miedzianej ?)
liny do want, sztagu i achter-sztagu a drugi
koniec podlaczamy :-) do wody.
Jezeli zawsze conajmniej jeden koniec bylby w
wodzie, to w czasie feralnego wyladowania prad
poplynie po najmniejszej lini oporu, czyli wprost do
wody. Nie napotyka wtedy na swej drodze laminatu,
ktory dzieliby go od wody gdyby np. wedrowal po
maszcie i pilersie i tym samym nie przebija go.
Od: Jerzy Makieła
Wysłano: 27 kwietnia 1999 10:18
Tomasz Barszcz napisał(a) w wiadomości:
Kiedys juz pisalem na grupie ze widzialem jacht
trafiony piorunem na
j. Wdzydze. Samego trafienia nie widzialem poniewaz
ogladalem Haberka 555
jak zostal przywieziony do Henka Brylskiego w celu
naprawy.
Piorun trafil w maszt, ladunek poszedl po maszcie,
pilersie i wyszedl na
lini wodnej. Na szczescie w momencie trafienia na
burcie nie bylo
nikogo. Wnetrze lodki bylo totalnie zdemolowane,
pilers rozsadzony,
wzdluzniki oderwane od skorupy kadluba, kadlub na
lini wodnej wygladal
jak ostrzelany z dubeltowki. Na lini wodnej bylo
pelno malych dziurek o
opalonych brzegach.
Kiedys w "Zaglach" radzili zeby w wypadku
burzy obwiazac maszt i
podwiezi wantowe lancuchem, a konce zanurzyc w wodzie.
Reszta dyskusji na ten temat w
pliku pioruny.zip lub w archiwym grupy pl.rec.zeglarstwo
Fakty
Większość wyładowań (70%-80%)
powstaje pomiędzy chmurami. Jedynymi skutkami są zakłócenia
w radiu i telewizji
Jeżeli piorun nie zrobił szkód w sprzęcie
elektrycznym to znacznie obniżył jego żywotność.
Pioruny są jedną z najczęściej występujących
przyczyn wypadków i śmierci powiązanych z pogodą.
Psychologicznym efektem trafienia przez
piorun są utraty pamięci, depresje, bóle głowy.
Natężenie prądu podczas uderzenia
piorunem osiąga 35'000 - 40'000 amperów
Uderza gdzieś na całej ziemi o sekundę
Wytwarza temperaturę dochodzącą do 50'000
stopni Celcjusza.
Podróżuje przez atmosferę nawet do 70
km a czasem i więcej.
Może uderzyć w to samo miejsce dwa razy.
Kiedy spotkasz burzę...
- Bądź w centrum kabiny (jeżeli jacht został
tak zaprojektowany), jeżeli jacht nie posiada
kabiny przyjmij niską pozycję. Nie bądź stojącym,
ludzkim masztem odgromowym!
- Trzymaj ręce i nogi w łodzi, nie machaj nimi w
wodzie.
- Przerwij łowienie ryb, jazdę na nartach wodnych,
nurkowanie, pływanie lub inne wodne formy
rekreacji kiedy występują wyładowania
atmosferyczne lub kiedy warunki pogodowe nie
zapowiadają się najciekawiej. Pierwszy grom może
uderzyć wiele kilometrów przed chmurami
burzowymi.
- Odłącz oraz nie dotykaj nieużywanego sprzętu
elektronicznego pdczas burzy takiego jak np.
radio.
- Obniż lub zdejmij antenę oraz inne przedmioty
nie będące częścią systemu odgromowego.
- Nigdy nie dotykaj dwóch części systemu
odgromowego - podczas uderzenia może przepłynąć
przez twoje ciało prąd o znacznym natężeniu.
- Na większych jednostkach oprzyrządowanie
medyczne powinno być w łatwo dostępnych
miejscach, a załoga przeszkolona w ratowaniu
ludzkiego życia. Do tego celu stosuje się
specjalistyczny sprzęt - respiratory,
elektrokardiogramy itd. W warunkach polowych
niezbędnym minimum jest apteczka pierwszej
pomocy i umiejętność wykonania masażu serca
oraz sztucznego oddychania.
- Gdy łódka była trafiona piorunem lub gdy
zachodzi takie podejrzenie sprawdź systemy
elektroniczne oraz kompasy na wypadek ich
przemagnesowania.
Podsumowanie
Żeglowanie i rekreacja wodna cieszy się
zainteresowaniem wielu ludzi. I niech tak pozostanie!
Aby uniknąć kłopotów należy słuchać
prognoz pogody nadawanych w radiu oraz sprawdzać w każdym
porcie przed wypłynięciem. Gdy zapowiadają fatalne
warunki pogodowe nie szarżować i nie wypływać.
Zainstaluj na łodzi adekwatną
instalacje odgromową, która regularnie powinna być
sprawdzana. Przejrzyj apteczkę pierwszej pomocy, naucz
się ją wykorzystywać, uzupełnij ewentualne braki i
wymień przeterminowane leki.
Tekst przygotowany na podstawie książek,
materiałów dostępnych w Internecie, uprzejmości
grupowiczów pl.rec.zeglarstwo oraz własnych, skromnych
spostrzerzeń. Wszelkie uwagi do tekstu mile widziane.
Krzysztof Czajka piornik@friko3.onet.pl
|