μετεωρολογία (4 άρθρα)

Σε κάθε μεγάλη πυρκαγιά, είναι σύνηθες να αναφέρεται πως «η φωτιά δημιουργεί το δικό της καιρό» . Αυτό συνέβη και στη μεγάλη πυρκαγιά που εκδηλώθηκε στις Κεχριές Κορινθίας την Τετάρτη 22 Ιουλίου 2020 και η οποία συνοδεύτηκε από τη δημιουργία ενός νέφους pyrocumulus⁽¹⁾ (πυρό-σωρείτης). Τα συγκεκριμένα νέφη δημιουργούνται από τις ισχυρές ανοδικές κινήσεις του αέρα που τροφοδοτούνται από τη θερμότητα που εκλύει μία πυρκαγιά (ή αντίστοιχα, μία ηφαιστειακή έκρηξη). Στο επόμενο βίντεο παρουσιάζεται με απλό τρόπο ο μηχανισμός δημιουργίας του pyrocumulus στην περίπτωση της πυρκαγιάς στις Κεχριές.

Πώς δημιουργείται ένα pyrocumulus;

Η έντονη θέρμανση που προκαλεί μία πυρκαγιά εξαναγκάζει τον αέρα να κινηθεί βίαια προς τα πάνω, εκκινώντας μία κυκλοφορία κατά την οποία ο αέρας ρέει προς την πυρκαγιά, θερμαίνεται και κινείται ανοδικά. Ο ανερχόμενος θερμός αέρας είναι εξαιρετικά τυρβώδης, ώστε κατά την ανοδική του κίνηση αναμιγνύεται με ψυχρότερο αέρα και αρχίζει να ψύχεται. Καθώς το πλούμιο του κανπνού συνεχίζει να ανέρχεται σε μεγαλύτερα ύψη στην ατμόσφαιρα, η ελάττωση της ατμοσφαιρικής πίεσης οδηγεί στην οριζόντια διασπορά του καπνού και την περαιτέρω ψύξη του. Εάν ο καπνός φτάσει σε αρκετά μεγάλο ύψος, η συνεχιζόμενη ψύξη του οδηγεί τελικά σε συμπύκνωση των υδρατμών επάνω στα σωματίδια της στάχτης, οπότε και δημιουργείται το νέφος pyrocumulus. Κατά τη διεργασία της συμπύκνωσης απελευθερώνεται λανθάνουσα θερμότητα, η οποία θερμαίνει τον αέρα μέσα στο pyrocumulus, συντηρώντας έτσι την ανοδική κίνηση και μεγέθυνση του νέφους.

Τι σημασία έχει ένα pyrocumulus για μία πυρκαγιά;

Η δημιουργία νεφών pyrocumulus είναι χαρακτηριστικό γνώρισμα πυρκαγιών οι οποίες εύκολα μπορούν να καταστούν ανεξέλεγκτες. Ειδικότερα, η δημιουργία αυτών των νεφών υποδεικνύει την ανάπτυξη τοπικής κυκλοφορίας αέρα, γεγονός που μπορεί να ενισχύσει σημαντικά τον άνεμο στην ευρύτερη περιοχή της πυρκαγιάς, οδηγώντας έτσι στην ταχύτερη εξάπλωση μιας πυρκαγιάς. Σε ακραίες περιπτώσεις, νέφη pyrocumulus μπορούν επίσης να οδηγήσουν σε δημιουργία κεραυνών και, συνεπακόλουθα, στη δημιουργία νέων εστιών, ακόμα και σε πολύ μεγάλες αποστάσεις από τα κύρια μέτωπα της πυρκαγιάς.

⁽¹⁾Η επίσημη ονομασία, με βάση τον Παγκόσμιο Μετεωρολογικό Οργανισμό, των νεφών αυτών είναι flammagenitus.
Ευχαριστούμε θερμά τον Γιάννη Καλαντζή για την παραχώρηση φωτογραφιών του pyrocumulus από τη φωτιά στις Κεχριές Κορινθίας.

Πηγή: meteo.gr (Θ. Γιάνναρος, Κ. Λαγουβάρδος, Β. Κοτρώνη)

Ο Υετός

Σχηματική αναπαράσταση του φυσικού μηχανισμού της παραγωγής των υδρομετεώρων, καλούμενος υδρολογικός κύκλος.

Υετός γενικά ονομάζεται κάθε πτώση ή εναπόθεση στο έδαφος προϊόντων του ύδατος (σε υγρή ή στερεά μορφή, επιμερισμένη) τα οποία προέρχονται από συμπύκνωση των υδρατμών της ατμόσφαιρας.

Κυριότερες μορφές του «υετού» είναι: η Βροχή, το Χιονόνερο ή Χιονόβροχο ή Χιονόλυτο, οι Ψεκάδες, το Χαλάζι, το Χιόνι, οι Χιονόκοκκοι, οι Παγοβελόνες, οι Παγόκοκκοι και ο Υαλοπάγος που δημιουργείται όμως στο έδαφος. Οι παραπάνω μορφές ονομάζονται και υδατώδη μετεωρολογικά κατακρημνίσματα, ή ατμοσφαιρικά κατακρημνίσματα, όταν αναφέρονται στη μετεωρολογία.

Η Βροχή

Η Βροχή ή βροχόπτωση ή υδατόπτωση είναι μια υγρή κατακρήμνιση και ανήκει στα υδατώδη μετεωρολογικά κατακρημνίσματα ή υδρομετέωρα όπως ονομάζονται τα διάφορα φαινόμενα του υετού, του οποίου άλλα επίσης είδη είναι το χιονόνερο, το χιόνι και το χαλάζι.

Για να συμβεί το φαινόμενο στη Γη, χρειάζεται ένα πυκνό στρώμα της ατμόσφαιρας με θερμοκρασία πάνω από το σημείο τήξης του νερού (δηλαδή πάνω από 0 °C) σχετικά κοντά στην επιφάνεια της Γης. Η συγκέντρωση των ατμοσφαιρικών υδρατμών πρέπει να είναι αρκετά υψηλή, ώστε αυτοί να υγροποιηθούν και να σχηματίσουν σταγόνες υγρού νερού, αρκετά βαριές ώστε να πέσουν ως την επιφάνεια. Τρεις δυνατότητες (και οι συνδυασμοί τους) υπάρχουν για να προκληθεί βροχή:

• Να ψυχθεί ο αέρας, δηλαδή να ελαττωθεί η θερμοκρασία του, ώστε να ελαττωθεί η ικανότητά του να συγκρατεί τους υδρατμούς σε αέρια μορφή ή σε μορφή μικρών (υγρών) σταγονιδίων σε κολλοειδή διασπορά (νέφη).
• Να αυξηθεί η ατμοσφαιρική πίεση, ώστε να ελαττωθεί η ικανότητά του να συγκρατεί τους υδρατμούς σε αέρια μορφή ή σε μορφή μικρών σταγονιδίων σε κολλοειδή διασπορά (νέφη).
• Να αυξηθεί η συγκέντρωση της υγρασίας, ώστε αυτή να υπερβεί την ικανότητα συγκράτησής της για τη συγκεκριμένη θερμοκρασία και πίεση.

Σε μερικές περιπτώσεις οι σταγόνες της βροχής εξατμίζονται πριν φτάσουν στην επιφάνεια. Τα σταγονίδια νερού συνενώνονται σε μεγαλύτερα μέσω της σύγκρουσης μεταξύ τους μέσα στα σύννεφα. Το τελικό μέγεθος των σταγόνων ποικίλλει. Η κανονική βροχή, σε σχετικά μη ρυπασμένη ατμοσφαιρικά περιοχή, έχει pH της τάξης του 5,2 κατά κανόνα, κάνοντάς την ελαφρά όξινη[1].

Ο υπερκορεσμός της υγρασίας συνδέεται με τα μέτωπα καιρού, που αποτελούν την κύρια μέθοδο πρόγνωσης επερχόμενης βροχόπτωσης. Αν συνυπάρχουν αρκετή υγρασία και ανοδικά ρεύματα αέρα σε έναν τόπο, τότε πέφτει βροχή σε λεπτές σταγόνες. Σε ορεινές περιοχές, είναι πολύ πιθανό να πέσουν έντονες βροχές στην πλευρά που έχει πρόσβαση σε υγρό αέρα. Αντίθετα, στην απάνεμη πλευρά συχνά σχηματίζεται ξηρό έως ερημικό κλίμα.

Οι Μετεωρολόγοι, ανάλογα με την ένταση της βροχόπτωσης την διακρίνουν στις ακόλουθες κατηγορίες, ανάλογα με το παρατηρούμενο ύψος βροχής:

• Ασθενής: < 2 χιλιοστά / h. Συνήθως φθάνει τα 0,5 mm/h. Η βροχή αυτή προέρχεται από στρωματόμορφα σύννεφα πάχους μικρότερου των 2 χλμ.
• Μέτρια: 2 - 6 χιλιοστά / h.
• Ισχυρή: > 6 χιλιοστά / h. Ειδικότερα στις ξαφνικές μπόρες μεγάλης έντασης, όταν το ύψος της βροχής σε 1 ώρα είναι μεγαλύτερο των 10 χιλιοστών. Η βροχή αυτή είναι απότομη, με μεγάλες σταγόνες, και πολλές φορές συνοδεύεται και από χαλάζι.
• Βίαιη: > 50 χιλιοστά / h. (στατιστικώς σπάνιο φαινόμενο)

Το Χιόνι

To χιόνι είναι ένα είδος υετού που αποτελείται κατά 100% από κρυστάλλους πάγου, που ενωμένοι μεταξύ τους χαλαρά σχηματίζουν τις λευκές και ελαφρές χιονονιφάδες.

Μεγάλες ποσότητες σχηματίζονται στα ψηλά νέφη σε όλα τα πλάτη της Γης.

Τα κρυσταλλικά συσσωματώματα των νιφάδων του χιονιού είναι κατά το πλείστον διαφανή με στιλπνές έδρες που αντανακλούν το φως και παρουσιάζουν λευκή μάζα. Το μέγεθος των κρυστάλλων τους είναι 0.25 - 13 χιλιοστά (mm) και πέφτουν μεμονωμένοι ή ενωμένοι σε νιφάδες που σχηματίζονται συνήθως σε ήρεμη χιονόπτωση με θερμοκρασία εδάφους 0 °C (32 °F) ή χαμηλότερη. Τα λίαν ψυχρά νέφη σχεδόν πάντα είναι ξερά σε αντίθεση με τα θερμότερα νέφη (τα χαμηλότερα) που περιέχουν περισσότερη υγρασία και έχουν την τάση να παρασκευάζουν τους μεγαλύτερους, ταχέως αυξανόμενους και διακλαδιζόμενους κρυστάλλους.

Γενικά τα σχήματα των κρυστάλλων του χιονιού ανήκουν στο εξαγωνικό σύστημα με επικράτηση των αστεροειδών μορφών με έξι ακτίνες. Η ομορφιά και ο πλούτος τους έλκυσε τη προσοχή και το θαυμασμό των μελετητών του χιονιού από τους αρχαίους χρόνους μέχρι και σήμερα και αποδεδειγμένα θεωρείται ότι υπερτερούν σε τελειότητα και ποικιλία των κρυστάλλων οποιουδήποτε ορυκτού είδους.

Το Χαλάζι

Το χαλάζι εμφανίζεται όταν η υγρασία της ατμόσφαιρας συμπυκνώνεται πάνω σε σκόνη ή άλλα κέντρα συμπύκνωσης, τα οποία μπορεί να είναι μικρά έντομα ή κρύσταλλοι πάγου, ενώ η θερμοκρασία είναι κάτω από τους 0° Κελσίου.

Οι μικροί πυρήνες των κόκκων που σχηματίζονται κατ' αυτό τον τρόπο μεγαλώνουν γρήγορα, καθώς η τάση των κορεσμένων ατμών πάνω από τον πάγο είναι μεγαλύτερη από την αντίστοιχη πάνω από νερό. Οι κόκκοι μπορούν να μεγαλώσουν κι άλλο, καθώς η λανθάνουσα θερμότητα που απελευθερώνεται από την στερεοποίηση του νερού λιώνει το εξωτερικό περίβλημα, κάτι που επιτρέπει τη συνένωση κόκκων μεταξύ τους.

Όταν ο χαλαζόκοκκος γίνει αρκετά βαρύς ώστε να μην παρασύρεται απ' τον άνεμο και να μην μπορεί να συγκρατηθεί από τα ανοδικά ρεύματα που αναπτύσσονται κατά τη διάρκεια των καταιγίδων, πέφτει προς το έδαφος.

1. Τι είναι ο κεραυνός;

Ως κεραυνός ορίζεται η ηλεκτρική εκκένωση, δηλαδή ένας γιγαντιαίος σπινθήρας, που παρατηρείται συνήθως κατά τη διάρκεια καταιγίδων. Αποτελεί την φυσική διαδικασία απομάκρυνσης του ηλεκτρικού φορτίου από τα καταιγιδοφόρα νέφη, τα οποία φορτίζονται μέσω των συγκρούσεων που λαμβάνουν χώρα μεταξύ των εκατομμυρίων σωματιδίων πάγου (παγοκρύσταλλοι, χαλάζι) που περιέχουν. Το τελικό αποτέλεσμα των συγκρούσεων είναι η εμφάνιση θετικού φορτίου στην κορυφή των νεφών και αρνητικού στη βάση τους. Κατ’ αντιστοιχία, στο έδαφος κάτω από τη βάση των νεφών εμφανίζεται θετικό φορτίο. Όταν η διαφορά δυναμικού μεταξύ της αρνητικά φορτισμένης βάσης των νεφών και του θετικά φορτισμένου εδάφους ξεπεράσει ένα ορισμένο όριο, προκαλείται ηλεκτρική εκκένωση και εκδηλώνεται ο κεραυνός.

2. Τι είναι η βροντή;

Ένας κεραυνός θερμαίνει τον αέρα μέσα από τον οποίο διέρχεται μέχρι και τους 30.000 °C, θερμοκρασία η οποία είναι 5 φορές μεγαλύτερη από τη θερμοκρασία στην επιφάνεια του ήλιου! Αυτή η ακραία θέρμανση προκαλεί την βίαιη διαστολή του αέρα σε σημείο που εκρήγνυται, δημιουργώντας έτσι ένα έντονο ωστικό κύμα το οποίο ταξιδεύει προς όλες τις διευθύνσεις. Αυτό το ακουστικό κύμα ονομάζεται βροντή και εμφανίζεται μετά την εκδήλωση του κεραυνού, λόγω της μεγάλης διαφοράς μεταξύ της ταχύτητας διάδοσης του φωτός και του ήχου.

3. Σε τι διαφέρει ο κεραυνός από την αστραπή;

Η ηλεκτρική εκκένωση που δημιουργείται είτε μέσα σε ένα νέφος, είτε μεταξύ δύο νεφών ονομάζεται αστραπή, ενώ αν δημιουργηθεί μεταξύ ενός νέφους και του εδάφους ονομάζεται κεραυνός (Εικόνα). Η πλειοψηφία των ηλεκτρικών εκκενώσεων κατά τη διάρκεια μιας καταιγίδας ανήκουν στην πρώτη κατηγορία, ενώ μόλις περίπου το 1/5 αυτών είναι κεραυνοί.

4. Εμφανίζονται κεραυνοί χωρίς να βρέχει;

Ηλεκτρική δραστηριότητα υπάρχει πάντα όταν εμφανίζονται καταιγιδοφόρα νέφη (σωρειτομελανίες/cumulonimbus), και τις περισσότερες φορές οι καταιγίδες προκαλούν κεραυνούς. Ωστόσο, υπάρχουν περιπτώσεις κατά τις οποίες παρατηρούνται κεραυνοί χωρίς την παρουσία υετού (βροχή, χαλάζι, χιόνι). Σε αυτές τις περιπτώσεις αναφερόμαστε στις λεγόμενες ξηρές καταιγίδες, οι οποίες εμφανίζονται σε περιοχές όπου η ατμόσφαιρα χαρακτηρίζεται από χαμηλά ποσά υγρασίας, με αποτέλεσμα ο υετός των νεφών να εξατμίζεται πριν φτάσει στο έδαφος. Οι κεραυνοί που εκδηλώνονται από ξηρές καταιγίδες αποτελούν συχνά αιτία πρόκλησης δασικών πυρκαγιών.

5. Σε ποια περιοχή του κόσμου παρατηρείται η υψηλότερη κεραυνική δραστηρίοτητα;

Η λίμνη Maracaibo στην Βενεζουέλα θα μπορούσε να χαρακτηριστεί ως η παγκόσμια πρωτεύουσα των κεραυνών, καθώς δέχεται ετησίως περισσότερους από 300 κεραυνούς ανά τετραγωνικό χιλιόμετρο. Λαμβάνοντας υπόψη ότι η έκταση της λίμνης είναι περίπου 13.200 τετραγωνικά χιλιόμετρα, προκύπτει ότι παρατηρούνται περίπου 4.000.000 κεραυνοί ετησίως. Η αιτία αυτής της εξαιρετικά υψηλής κεραυνικής δραστηριότητας οφείλεται στην γεωμορφολογία της περιοχής, η οποία ευνοεί τη δημιουργία ισχυρών καταιγίδων τις βραδινές ώρες, όταν ο ψυχρός και ξηρός άνεμος που προέρχεται από την οροσειρά των Άνδεων συναντάει τον θερμό και υγρό αέρα που βρίσκεται πάνω από τη λίμνη.

6. Σε ποιες περιοχές της Ελλάδας και πότε παρατηρούνται συχνότερα οι κεραυνοί;

Η μεγαλύτερη συχνότητα πτώσης κεραυνών στη χώρα μας παρατηρείται στις οροσειρές της Πίνδου και της Ροδόπης, με πολλές ορεινές περιοχές να δέχονται κεραυνούς πάνω από 20 ημέρες ετησίως. Η πλειοψηφία των καταιγίδων πάνω από την ξηρά κατά τη διάρκεια του έτους παρατηρείται τους μήνες μεταξύ Απριλίου και Ιουλίου, ενώ πάνω από τη θάλασσα τους μήνες του φθινοπώρου και λιγότερο συχνά τον χειμώνα. Επιπροσθέτως, κατά μέσο όρο στο Ιόνιο παρατηρούμε πιο έντονη κεραυνική δραστηριότητα από ό,τι στο Αιγαίο, αν και στο Αιγαίο πολλές καταιγίδες σημειώνονται και το καλοκαίρι.

7. Τι είδους καταστροφές προκαλούν οι κεραυνοί;

Οι κεραυνοί αποτελούν παγκοσμίως τη δεύτερη αιτία θανάτου από καιρικά φαινόμενα μετά τις πλημμύρες, με χιλιάδες θύματα κάθε χρόνο και ακόμη περισσότερους τραυματισμούς. Ακόμη είναι υπεύθυνοι για πολλές δασικές πυρκαγιές, μερικές από τις οποίες ξεσπούν σε δυσπρόσιτες ορεινές περιοχές (πχ. στη Βόρεια Πίνδο). Πρόσφατο παράδειγμα αποτελούν οι δασικές πυρκαγιές στη Θάσο τον Σεπτέμβριο του 2016 όταν πάνω από 100 κεραυνοί προκλήθηκαν από ξηρές καταιγίδες. Οι κεραυνοί επίσης προκαλούν καταστροφές σε κτίρια και οχήματα, όπως για παράδειγμα τον Μάιο του 2018 όταν κεραυνός χτύπησε λεωφορείο του ΚΤΕΛ Έβρου κοντά στις Φερές το οποίο καταστράφηκε ολοσχερώς. Τέλος, οι κεραυνοί προκαλούν τον θάνατο πολλών οικόσιτων ζώων κάθε χρόνο στην ελληνική ύπαιθρο, ιδιαίτερα το καλοκαίρι στα ορεινά βοσκοτόπια. Στις 9 Ιουλίου 2017 κοντά στη Σιάτιστα Κοζάνης, 28 πρόβατα σκοτώθηκαν ακαριαία από κεραυνικό πλήγμα ενώ ο βοσκός τους τραυματίστηκε ελαφρώς.

8. Έχουμε νεκρούς από κεραυνούς στην Ελλάδα;

Σχεδόν κάθε χρόνο θρηνούμε θύματα από κεραυνούς στη χώρα μας. Τα τελευταία 18 χρόνια 32 άνθρωποι έχουν χάσει τη ζωή τους και 35 έχουν τραυματιστεί, με τους πιο πρόσφατους τραυματισμούς στην Ακρόπολη το απόγευμα της Τετάρτης 17 Απριλίου 2019. Τα παλαιότερα χρόνια που η οικονομία της χώρας μας στηριζόταν στην αγροτική παραγωγή, περισσότεροι άνθρωποι ήταν εκτεθειμένοι στα ακραία καιρικά φαινόμενα στην ύπαιθρο και οι νεκροί από κεραυνούς ήταν πολλαπλάσιοι.

9. Πώς προστατευόμαστε από έναν κεραυνό;

Όλες οι καταιγίδες είναι δυνητικά επικίνδυνες για την ανθρώπινη ζωή καθώς παράγουν κεραυνούς σε μεγάλη ακτίνα, ακόμη και 15 χιλιόμετρα μακριά από τον πυρήνα ενός καταιγιδοφόρου νέφους. Στην παρακάτω σελίδα θα βρείτε μερικές χρήσιμες οδηγίες για το πώς θα προφυλαχθείτε από τους κεραυνούς: http://www.meteo.gr/talos/thunders-protection.cfm

10. Πως γίνεται η ανίχνευση και η πρόγνωση κεραυνών;

Κάθε κεραυνός εκπέμπει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία σφαιρικά, δηλαδή προς όλες τις κατευθύνσεις και κάθε εκπομπή (μορφή κυματομορφής) είναι μοναδική. Αξιοποιώντας αυτό το γεγονός μπορούμε να ξεχωρίσουμε 2 κεραυνούς που πέφτουν ταυτόχρονα χρησιμοποιώντας μία μόνο κεραία, όμως για να γνωρίζουμε την ακριβή τους τοποθεσία θα πρέπει να χρησιμοποιήσουμε τουλάχιστον ακόμη 3 κεραίες-ανιχνευτές. Η διαφορά χρόνου άφιξης της κυματομορφής από κάθε κεραυνό σε κάθε ανιχνευτή μάς επιτρέπει να υπολογίσουμε την απόσταση των κεραυνών και με μεγάλη ακρίβεια το σημείο πτώσης τους. Περισσότερες πληροφορίες για το σύστημα ανίχνευσης του Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών/meteo.gr «ΖΕΥΣ» θα βρείτε κάνοντας κλικ εδώ.

Πηγή: physicsgg.me

Ένα από τα πιο παράξενα και μυστηριώδη φαινόμενα που συναντάμε κατά τη διάρκεια των καταιγίδων, είναι οι σφαιρικοί κεραυνοί. Μοιάζουν με κινούμενες φωτεινές σφαίρες, διαστάσεων περίπου 30 εκατοστών ή το μέγεθος ενός πορτοκαλιού και κινούνται για 30 δευτερόλεπτα. Ενώ είχαν παρατηρηθεί από πολύ παλιά (από το Μεσαίωνα) άρχισαν να μελετώνται επιστημονικά μόλις το 1930.

Ο Βενιαμίν Φραγκλίνος έκανε διάφορες προσπάθειες για να παρατηρήσει αυτό το μυστήριο φαινόμενο πάνω από 200 χρόνια πριν. Σε ένα πείραμα του προσπάθησε να φτιάξει σφαιρικό κεραυνό από το συνηθισμένο κεραυνό – που το εμπνεύστηκε από τις αναφορές ενός Ρώσου συγχρόνου του που είχε σκοτωθεί από μια τέτοια σφαίρα στο εργαστήριό του.

Αλλά και το 1754 κάποιος προσπάθησε να επαναλάβει το πείραμα του Βενιαμίν Φραγκλίνου με το χαρταετό. Ενώ προσπαθούσε να ολοκληρώσει τη διαδικασία, μετά από ένα συνηθισμένο χτύπημα κεραυνού πάνω στη μεταλλική ράβδο, σχηματίστηκε μια μπάλα φωτιάς που τον χτύπησε στο κεφάλι, σκοτώνοντάς τον ακαριαία και αφήνοντας ένα κόκκινο σημάδι στο κούτελό του καθώς και δυο τρύπες από φωτιά στις σόλες των παπουτσιών του.

Σε μια άλλη περίπτωση η φωτεινή αυτή σφαίρα άφησε μια τρύπα σε μέγεθος μιας μπάλας στη πόρτα όταν μπήκε σε ένα σπίτι στο Oregon. Αφού κινήθηκε ως το υπόγειο κατέστρεψε μια παλιά μηχανή για το στύψιμο των ρούχων. Το 1998, το πλήρωμα ενός αεροπλάνου είδε μπάλες φωτιάς να σχηματίζονται μέσα στην άτρακτο.

Έχουν καταγραφεί χιλιάδες περιπτώσεις σφαιρικών κεραυνών και φαίνονται αρκετές για να επιβεβαιώσουν την ύπαρξη του μυστηριώδους αυτού φαινομένου. Μάλιστα δεν είναι λίγοι αυτοί που το θεωρούν αυταπάτη παρόλο που υπάρχουν εντυπωσιακές φωτογραφίες του.

Αλλά τι είναι οι σφαιρικοί κεραυνοί;

Είναι μια επιπλέουσα φωτεινή σφαίρα που παρατηρείται μερικές φορές μετά από τον συμβατικό κεραυνό σε απόσταση λίγων μέτρων από το έδαφος, όμως κάποιες φορές έχουν παρατηρηθεί να δημιουργούνται κοντά στο έδαφος με απουσία κεραυνού. Τέλος σφαιρικοί κεραυνοί έχουν παρατηρηθεί να αιωρούνται σε μεγάλη απόσταση από το έδαφος ή ακόμα και να πέφτουν από ένα σύννεφο προς το έδαφος.

Ο σφαιρικός κεραυνός μπορεί να εμφανιστεί σε οποιοδήποτε χρώμα, αλλά είναι συνήθως λευκός ή κίτρινος  κι έχει μια φωτεινότητα συγκρίσιμη με αυτήν ενός λαμπτήρα 100 βάτ. Μπορεί να φανεί καθαρά στο φως της ημέρας ενώ κινείται συνήθως οριζόντια με μια ταχύτητα μερικών μέτρων ανά δευτερόλεπτο. Αλλά δεν ανέρχονται, όπως θα συνέβαινε αν ήταν σφαίρες θερμού αέρα σε ατμοσφαιρική πίεση και υπό την επίδραση μόνο της βαρύτητας. Πολλές αναφορές ακόμα τους περιγράφουν να περιστρέφονται κατά την κίνηση τους ή ακόμη και να αναπηδούν σε στερεά σώματα, όπως πολλές φορές το έδαφος.

Υπάρχουν περιγραφές ότι οι σφαιρικοί κεραυνοί έκαψαν αχυρώνες και έλιωσαν σύρματα όπως και ότι τον είδαν να πέφτει σε μια λίμνη νερού και να συνοδεύεται από ένα θόρυβο ανάλογο με αυτόν που ακούγεται όταν βυθίζεται ένα καυτό σιδερένιο αντικείμενο σε νερό. Επίσης έχει αναφερθεί μια χαρακτηριστική άσχημη μυρωδιά να συνοδεύει το σφαιρικό κεραυνό, σαν τη μυρωδιά του όζοντος, του καιγόμενου θείου ή του νιτρικού οξέος.

Αλλά, πολλοί επιστήμονες επιχείρησαν να αναπαράγουν το φαινόμενο αυτό και στο εργαστήριο. Έτσι, ασχολήθηκαν με αυτό το φαινόμενο οι Nikola Tesla, Sam Barros, Yoshi-Hiko Ohtsuki και πολλοί άλλοι.

Εξηγήσεις του φαινομένου

Μετά το 1930, ο νομπελίστας Pyotr Kapitsa προσπάθησε να λύσει το αίνιγμα του σφαιρικού κεραυνού. Ο Kapitsa πρότεινε ότι κατά τη διάρκεια των καταιγίδων στάσιμα κύματα υψηλής ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, με υψηλή συχνότητα, μπορούν να σχηματιστούν μεταξύ των σύννεφων και του εδάφους μετατρέποντας κεραυνούς σε μια μπάλα πλάσματος. Η θεωρία του Kapitsa έδωσε το έναυσμα για την ανάπτυξη της θεωρίας μέιζερ (maser) και σολιτονίων.

Η Θεωρία του Handel (1975) είναι σήμερα μια προσέγγιση που αναφέρεται σε μια εκκένωση πολύ υψηλής συχνότητας. Σύμφωνα με αυτή ο σφαιρικός κεραυνός προκαλείται από ένα ατμοσφαιρικό μηχανισμό ενίσχυσης μικροκυμάτων (maser) φαινόμενο ανάλογο του laser που όμως λειτουργεί με πολύ λιγότερη ενέργεια και έχει μια ένταση πολλών κυβικών χιλιομέτρων.
Υπάρχουν δε περιπτώσεις που το μέιζερ μπορεί να δημιουργήσει ένα εντοπισμένο ηλεκτρικό πεδίο ή σολιτόνιο το οποίο επιφέρει το σφαιρικό κεραυνό.

Ακολούθησαν οι ερμηνείες και άλλων επιστημόνων, όπως οι John Abrahamson και ο James Dinniss (2002) από το Πανεπιστήμιο του Canterbury της Νέας Ζηλανδίας, που προτείνουν ότι οι σφαιρικοί κεραυνοί εμφανίζονται όταν οξειδώνεται το πυρίτιο στην ατμόσφαιρα μετά από ένα κεραυνό. Τους περιγράφουν δε σαν «σφαίρες φλεγόμενης σιλικόνης που δημιουργούνται από κανονικές αστραπές όταν χτυπούν στο έδαφος».

Οφείλονται λοιπόν, σύμφωνα με τους Abrahamson και Dinnissσε, σε ατμοποιημένους ορυκτούς κόκκους από το έδαφος, που έχουν βρεθεί στην ατμόσφαιρα από ένα κτύπημα κεραυνού. Αυτά τα νανοσωματίδια συνδέονται μαζί κάνοντας αλυσίδες για να σχηματίσουν έτσι μια ‘χνουδωτή’ σφαίρα πυριτίου που μεταφέρεται υψηλά από τα ρεύματα του αέρα. Οι κόκκοι αυτοί αντιδρούν με το οξυγόνο στον αέρα και καίγονται αργά ενώ στη συνέχεια ελευθερώνουν φως.

Αλλά αφού είναι τόσο καυτός γιατί δεν κατευθύνεται προς τα πάνω, όπως συμβαίνει σε ένα μπαλόνι ζεστού αέρα, αλλά κινείται κοντά στο έδαφος; Η απάντηση είναι ότι τα μόρια του πυριτίου έχουν την κατάλληλη πυκνότητα για να εξουδετερώσουν την ανοδική τάση και συγχρόνως ασκείται μια δύναμη από τα ηλεκτρικά πεδία που δημιουργούν οι κεραυνοί.

Έχει βρεθεί όμως ότι αυτή η σφαίρα σχηματίζεται σε σχετικά χαμηλή θερμοκρασία, γύρω στους 1200^ο C, και αρχίζει να πυρακτώνεται στο τέλος της σύντομης ζωής της. Αυτό θα μπορούσε να εξηγήσει τις περιπτώσεις που ο σφαιρικός κεραυνός δημιουργείται ακριβώς μετά το χτύπημα κεραυνού, αλλά καθίστανται ορατοί μόνο αργότερα.
Όταν όμως ο Abrahamson δημιούργησε ένα κεραυνό στο εργαστήριο του και τον έριξε σε δείγμα εδάφους, δημιουργήθηκε το αερόλυμα, αλλά όχι και ο σφαιρικός κεραυνός. Ύστερα ανέβασε τη δύναμη των κεραυνών σε πιο πραγματικά επίπεδα, όμως τότε το δείγμα του χώματος καταστρεφόταν εντελώς πριν να σχηματιστούν ικανοποιητικές ποσότητες ατμού πυριτίου.

Σύμφωνα με τους Abrahamson και Dinniss, η νέα θεωρία τους μπορεί να εξηγήσει τις περισσότερες ιδιότητες του σφαιρικού κεραυνού αλλά δεν μπορεί να εξηγήσει γιατί παρατηρείται μόνο μέσα από τα αεροσκάφη.

Ο John Gilman του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας στο Λος Άντζελες πρότεινε ότι μία από τις ιδιότητες του σφαιρικού κεραυνού  – η συνοχή που συγκρατεί τη σφαίρα ενωμένη για δεκάδες δευτερόλεπτα – μπορεί να εξηγηθεί με τη βοήθεια των ατόμων Rydberg.

Γενικά θεωρείται ότι ο σφαιρικός κεραυνός, από ορισμένους επιστήμονες, είναι μια σφαίρα από πλάσμα και θεωρούν ότι είναι παρόμοια με τους ιδιαίτερα φωτεινούς δίσκους πλάσματος που σχηματίζονται όταν πυροδοτούνται τα εκρηκτικά.

Είναι λοιπόν ένα είδος πλάσματος, ένα υπερβολικά ζεστό αέριο που συνδέεται με μια αστείρευτη πηγή πλάσματος πάνω στη Γη, τις καταιγίδες με κεραυνούς. Το πλάσμα παράγεται κατά τη διάρκεια που πέφτουν κεραυνοί γιατί τότε συσσωρεύεται ρεύμα αρκετών χιλιάδων Ampere και  αναπτύσσονται θερμοκρασίες της τάξης των 30.000^οC.

Ο Gilman προτείνει ότι η σφαίρα του πλάσματος έχει μια πολύ χαμηλή πυκνότητα – συγκρίσιμη με την πυκνότητα του αέρα – και φτιάχνεται από άτομα Rydberg. Αυτά είναι άτομα των οποίων το ηλεκτρόνιο σθένους έχει διεγερθεί σε μια τροχιά μεγαλύτερου κβαντικού αριθμού. Υπολογίζεται ότι η ακτίνα ενός τέτοιου τροχιακού θα μπορούσε να είναι μερικά εκατοστά, και ότι το μέσο άτομο θα είχε έτσι πολύ μεγάλη ικανότητα πόλωσης. Οι ελκτικές δυνάμεις Van der Waals  – που αυξάνονται καθώς αυξάνεται η πόλωση των ατόμων – θα μπορούσαν να είναι υπεύθυνες για τη συνοχή μεταξύ των ατόμων. Υπολογίζεται ότι η συνεκτική ενέργεια ανά άτομο είναι περίπου το ένα εκατοστό ενός μετάλλου. Έτσι με αυτόν τον τρόπο η σφαίρα του πλάσματος έχει συνοχή.

Ερευνητές πάλι στην Κίνα αναφέρουν ότι κατέγραψαν σε βίντεο έναν σφαιρικό κεραυνό και η φασματοσκοπική ανάλυση συμφωνεί μάλιστα με μια πρόσφατη θεωρία, σύμφωνα με την οποία οι πύρινες σφαίρες δημιουργούνται όταν ένας κανονικός κεραυνός εξαερώσει τη σκόνη στο έδαφος.

Η θεωρία αυτή δείχνει να ενισχύεται από την κινεζική μελέτη του 2012. Ο Ζιανιόνγκ Τσεν και οι συνεργάτες του παρατηρούσαν μια καταιγίδα με βιντεοκάμερες και φασματογράφους. Κατά τύχη, ο εξοπλισμός τους κατέγραψε μια φωτεινή σφαίρα, διαμέτρου πέντε μέτρων, η οποία σηκώθηκε από το έδαφος και κινήθηκε για περίπου 15 μέτρα. Το όλο συμβάν κράτησε μόλις 1,6 δευτερόλεπτα.

Η φασματική ανάλυση έδειχνε ότι τα κυριότερα χημικά στοιχεία μέσα στη σφαίρα ήταν τα ίδια με αυτά του εδάφους: πυρίτιο, ασβέστιο και σίδηρος. Θα μπορούσε λοιπόν να υποθέσει κανείς ότι η ακραία θερμότητα που απελευθερώνει ένας κεραυνός εξαερώνει το διοξείδιο του πυριτίου αλλά και τον άνθρακα που μπορεί να υπάρχει στο έδαφος από πεσμένα φύλλα. Ο άνθρακας κλέβει το οξυγόνο από το διοξείδιο του πυριτίου, αφήνοντας πίσω του ατμό στοιχειακού πυριτίου. Το πυρίτιο αυτό αντιδρά ακαριαία με το οξυγόνο της ατμόσφαιρας, και καθώς καίγεται εκπέμπει φως.

Οι φασματικές παρατηρήσεις συνηγορούν στη θεωρία του εξαερωμένου εδάφους, αν κανείς δεν μπορεί να αποδείξει ότι αυτό που καταγράφηκε ήταν πράγματι σφαιρικός κεραυνός. Οι ίδιοι οι ερευνητές, εξάλλου, επισημαίνουν ότι υπάρχουν και άλλοι μηχανισμοί που θα μπορούσαν να εξηγήσουν τις παρατηρήσεις τους. Η μελέτη λοιπόν ίσως είναι ένα σημαντικό πρώτο βήμα, όμως το μυστήριο του σφαιρικού κεραυνού δεν έχει ακόμα λυθεί.

Τέλος, μια άλλη θεωρία με επικεφαλής τον John Lowke του CSIRO επικεντρώνεται στο πώς ο σφαιρικός κεραυνός συμβαίνει σε σπίτια και αεροπλάνα – και πώς μπορεί να περάσει μέσα από το γυαλί. Η θεωρία του προτείνει επίσης να προκαλείται σφαιρικός κεραυνός όταν τα πυκνά κατάλοιπα ιόντων σαρώνουν στο έδαφος ακολουθούμενα από ένα κτύπημα κεραυνού.

Ο Lowke προτείνει ότι σφαιρικοί κεραυνοί συμβαίνουν σε σπίτια και αεροπλάνα όταν ένα ρεύμα ιόντων συσσωρεύεται στο εξωτερικό ενός γυάλινου παραθύρου και το ηλεκτρικό πεδίο που προκύπτει από την άλλη πλευρά διεγείρει τα μόρια του αέρα για να σχηματίσει μια ηλεκτρική σφαιρική εκκένωση. Η αποφόρτιση απαιτεί ένα ηλεκτρικό πεδίο περίπου ενός εκατομμυρίου βολτ.

«Άλλες θεωρίες υποδηλώνουν ότι ο σφαιρικός κεραυνός δημιουργείται από αργή καύση σωματιδίων πυριτίου που σχηματίζονται σε μια αστραπή, αλλά αυτό είναι λανθασμένο. Μια από τις παρατηρήσεις αυτού του φαινομένου συνέβη όταν δεν υπήρχε καταιγίδα και δημιουργήθηκε από ιόντα από το ραντάρ του αεροσκάφους, που λειτουργούσε με μέγιστη ισχύ κατά τη διάρκεια μιας πυκνής ομίχλης.

Ακόμη όμως καμία από τις θεωρίες που έχουν διατυπωθεί δεν έχει γίνει κοινώς αποδεκτή. Πιστεύεται μάλιστα ότι για να εξηγηθεί το φαινόμενο θα χρειαστεί η συνδυασμένη γνώση περισσοτέρων από δέκα επιστημονικών πεδίων, από τη φυσική των μέιζερ μέχρι την ανόργανη χημεία.

Πηγή: physics4u.gr