Wyładowania atmosferyczne zawsze fascynowały, ale też przerażały ludzi. Nawet w dzisiejszych czasach budzą lęk. Od dawna wiedziano, że pioruny uderzają tylko w wysokie budowle. Zachowała się wypowiedź Artabanisa, doradcy Kserksesa, z czasów dawnych wojen Persów z Grekami. Twierdził on, że Bóg razi swymi błyskawicami tylko najwyższe domy i najwyższe drzewa, gdyż Bóg umniejsza wszystko to, co się nadmiernie wynosi.
Fot. stock.adobe/ jcpjr
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. W naszych warunkach klimatycznych najczęściej burze występują w czerwcu, lipcu i sierpniu. Wyładowanie takie może być inicjowane przez wysoką budowlę, w której otoczeniu powstaje silne pole elektryczne. W terminologii językowej niektórych krajów, np. Francji, Hiszpanii, nazwa piorun (foudre, rayo) znaczy wyładowanie uderzające w ziemię, natomiast błyskawica (eclair, relampago) znaczy wyładowanie między chmurami.
Podczas uderzenia pioruna obiekt, w który uderzył, styka się bezpośrednio z głównym kanałem lub z którymś kanałem bocznym. Uderzając w jakikolwiek obiekt, piorun oddziałuje 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, a jeszcze inną glina. Pokład gliny ma lepszą przewodność od piasku. Piorun wybiera drogę o najmniejszej rezystancji. Rzeka płynąca w nierównym terenie jest częściej trafiana piorunem mimo istnienia w pobliżu znacznych wzniesień.
Pioruny bardzo często uderzają w drzewa. Stwierdzono, że najczęściej 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 jej oporu elektrycznego zależnie od absorpcji wilgoci. Drzewo o szorstkiej i chropowatej korze, np. dąb, ma podczas deszczu większą wilgotność od drzewa o gładkiej korze, np. buk. Oznacza to, że dąb ma lepszą przewodność elektryczną od buka i w dęby pioruny częściej uderzają niż w buki. Topole rosną często w pobliżu wody na mokrym gruncie, stąd pioruny często w nie uderzają. Woda zawarta w drzewie podczas uderzenia silnie się ogrzewa i paruje. Proces ten przebiega w sposób gwałtowny i ma charakter wybuchu.
Rys. 1. Powstawanie pioruna: a – tworzenie się lidera, b – wyładowanie powrotne do chmury
| Piorun jest wyładowaniem elektrycznym o znacznym natężeniu, występującym w atmosferze od chmur burzowych. W dolnej części chmury burzowej zgromadzony jest duży elektryczny ładunek ujemny, który powoduje wytworzenie różnicy potencjału elektrycznego rzędu od 20 do 30 milionów woltów w odniesieniu do ziemi. 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 na ziemi. Nie posiada też jasności jak błyskawica. Miejsce trafienia jest wybierane w końcowej fazie wyładowania na wysokości kilkudziesięciu metrów nad ziemią. Zjonizowana droga, w której się poruszają 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. Wyładowanie ogrzewa zjonizowany kanał do temperatury około 30 000oC, powodując ekspansję powietrza, która tworzy efekt akustyczny zwany grzmotem. Typowy piorun wykonuje kilka takich cykli i zjawisko trwa blisko 0,5 sekundy. Wyładowanie elektryczne pioruna osiąga natężenie około 30 kA w czasie kilku mikrosekund. Przyjmuje się, że prawie 5% wyładowań może osiągnąć natężenie większe od 100 kA. |
Dawne przesądy i wierzenia chroniące budowle przed piorunami
W niektórych wieżach kościelnych zawieszano specjalne dzwony burzowe. Wierzono, że dźwięk dzwonów kościelnych rozprasza pioruny i nawałnice. Wspomina nawet o tym niemiecki poeta Fryderyk Schiller w poemacie „Das Lied von der Gloche” („Pieśń o dzwonie”). Bardzo charakterystyczna jest inskrypcja umieszczona na dzwonie katedry w Szafuzie w Szwajcarii: „Vivos voco, mortuos plango, fulgura frango” – „Żywych zwołuję, zmarłych opłakuję, pioruny poskramiam”. Taka inskrypcja na dzwonach jest też spotykana w Polsce. W miejscowości Spiska Stara Ves (Słowacja) znajduje się specjalny dzwon stosowany do odpędzania burz i piorunów. Obecnie jeszcze można spotkać wiele pochodzących z tego okresu dzwonów, na których wyryte są łacińskie słowa Fulgura frango (błyskawice poskramiam).
Bicie w dzwon wzbudzało w powietrzu fale akustyczne powodujące drganie cząsteczek pary wodnej w chmurze burzowej. Drgające cząsteczki pary wodnej w chmurze się zagęszczają, tworząc krople deszczowe. Spadające krople deszczowe niosą ze sobą ładunki elektryczne z chmury. Chmura burzowa traci potencjał elektryczny mogący inicjować wyładowanie.
Pioruny jednak uderzały w wysokie wieże kościelne podczas dzwonienia. Wielu dzwonników straciło życie od uderzenia pioruna, trzymając w ręce mokry sznur pociągowy od dzwonu. Z tego powodu w Paryżu w 1787 r. zabroniono używania dzwonów w czasie nawałnicy.
| Istniało wiele przesądów związanych z zagrożeniem od uderzeń pioruna. Wierzono, że szkody powstałe przez uderzenie pioruna pochodzą od mocy szatana. Obowiązkowo podczas grzmotu należało się przeżegnać. Zależnie od okolicy modlono się do różnych świętych. Dla ochrony przed wszelkimi nieszczęściami, a zwłaszcza piorunami umieszczano napis na drzwiach wejściowych „K + M + B + rok” pisany święconą kredą podczas corocznej kolędy duszpasterskiej. Rozpowszechnione było zapalanie podczas burzy świecy gromnicznej poświęconej 2 lutego w dniu święta Matki Bożej Gromnicznej. W Niedzielę Palmową święcono w kościele palmę wielkanocną chroniącą przed burzami i piorunami.
Przestrzegano, aby podczas burzy nie powodować w domu przeciągów ani przewiewów. Zauważono, że pioruny są przyciągane do domu przez unoszący się dym z komina. Wygaszano podczas burzy ogień z pieców i palenisk, aby unoszący się dym nie inicjował pioruna. |
Sprawdź:
Instalacja piorunochronna dla nowoczesnego budynku
Kontrola okresowa budynku i przegląd instalacji antenowej
Ochrona ograniczników przepięć – zmiany normowe
Co zrobić, by piorun nie uderzył w budynek? Pomysły z dawnych czasów
Ochronie przed zagrożeniem uderzenia pioruna podlegały budowle wysokie. Były to zazwyczaj wieże obiektów sakralnych. Zauważono, że pioruny częściej uderzają w wieże murowane z cegieł niż z kamienia. Namoknięta deszczem cegła oraz jej spojeniowa fuga stawały się przewodnikiem prądu elektrycznego podczas wyładowania atmosferycznego. Prąd elektryczny przepływający w mokrym spojeniu między cegłami powodował gwałtowne rozgrzanie, skutkujące dynamicznym rozsadzeniem wiązania. Odporniejsze na uderzenia pioruna były wieże budowane z kamienia. Istotne znaczenie miało też pokrycie dachu wieży i budowli. Stwierdzono, że najbardziej odporne na wyładowania były pokrycia skalnym łupkiem dachowym. Jest to skała metamorficzna z grupy łupków ilastych lub serycytowych odznaczająca się doskonałą oddzielnością. Takie pokrycia pochodzą z Saksonii, gdzie znajdują się złoża łyszczykowego łupku dachowego. Łupek ten jest nienasiąkliwy, a zawarta w nim mika powoduje dużą jego elektryczną rezystywność, co izolowało budynek od ładunków elektrycznych chmur burzowych.
Fot. 1. Izrael, Jerozolima kościół św. Piotra Gallicantu. Fot. 2. Praga, katedra św. Wita
Innym zabezpieczeniem wież kościelnych przed wyładowaniami było posadowienie metalowego koguta na krzyżu wieńczącym wieże. Kogut na wieży kościelnej symbolizuje biblijne zaparcie się św. Piotra. Z fizycznego punktu widzenia górne ramię krzyża w odniesieniu do znajdującej się chmury burzowej stanowi tzw. zjawisko ostrza elektrycznego. Ostro zakończone górne ramię krzyża stanowi iskiernik gromadzący ładunki elektryczne, powodując wzrost gęstości natężenia pola elektrycznego pod burzową chmurą. Posadowienie metalowego koguta na górnym ramieniu krzyża rozprasza tworzące się pole elektrostatyczne i jego natężenie. Podobne znaczenie, z punktu elektrycznego, miało umieszczanie półksiężyca na wysokich minaretach muzułmańskich.
Przykładem może być bazylika św. Antoniego w Rybniku na Śląsku z dwoma jednakowymi wieżami o wysokości 95 m. Każdą wieżę wieńczy krzyż, z tym że obecnie tylko na jednym posadowiony jest metalowy kogut o wysokości 80 cm. Obserwowane przez mieszkańców wyładowania burzowe stwierdzają, że częściej pioruny uderzają w wieżę z krzyżem bez koguta.
W średniowiecznym budownictwie francuskim i angielskim rozpowszechniły się wieże zwieńczone płasko, a nie ostrą piramidą zagęszczającą ładunki elektryczne ściągające pioruny. Przykładem jest katedra w Albi, Brukseli, Laon, Reims czy w Paryżu.
Piorunochron – wynalazek Benjamina Franklina
W 1752 r. amerykański polityk i zarazem znakomity uczony Benjamin Franklin (1706-1790) udowodnił w doświadczeniu z latawcem elektryczną naturę atmosferycznych wyładowań burzowych. Jego słynne doświadczenie filadelfijskie udowodniło, że iskra elektryczna i błyskawica posiadają tę samą naturę i można je odprowadzać przewodem elektrycznym. Było to zalążkiem powstania urządzenia nazwanego piorunochronem. Pierwsze piorunochrony zainstalowano w Filadelfii w czerwcu 1752 r. Pierwszą instalację piorunochronną w Europie wykonano w 1754 r. w Primeticach k. Znojna. Piorunochron ten składał się z dwóch prętów stalowych o długości 2,8 m, z zaostrzonym końcem, poniżej którego umieszczono cztery blaszane ramiona w kształcie krzyża o długości 47 cm. W Londynie pierwszy piorunochron zainstalował na swoim domu William Watson w 1762 r. Pierwszy piorunochron w Polsce założono w 1778 r. na dachu Zamku Królewskiego w Warszawie. Wkrótce bardzo szybko zaczęto instalować piorunochrony, przede wszystkim na wieżach kościelnych. W XIX w. ceny stali w Europie znacznie się obniżyły, co spowodowało rozpowszechnianie budowy instalacji piorunochronnej na wysokich budynkach. W 1784 r. ks. Józef Herman Osiński wydał pierwszy polski podręcznik elektrotechniki pt. „Sposob ubespieczaiący życie i majątek od piorunów”, przedstawiając w nim wskazówki montażu oraz ratowania osób poszkodowanych w wyniku porażenia piorunem.
dr hab. inż. Stefan Gierlotka
Śląska Okręgowa Izba Inżynierów Budownictwa
