burza

burza

Budowa i własności wody

Cząsteczka wody

W cząsteczce wody następuje przesunięcie elektronów w stronę atomu tlenu. Powoduje to, że atom tlenu ma pewien ładunek ujemny, a atomy wodoru odpowiadający mu ładunek dodatni. Ujemny ładunek atomu tlenu przyciąga dodatnio naładowane atomy wodoru sąsiedniej cząsteczki i pomiędzy nimi powstaje tak zwane wiązanie wodorowe. Mówimy, że cząstka wiązania wodorowe wody jest polarna, czyli tworzy dipol.

Faza stała wody czyli lód, dzięki tworzeniu się wiązań wodorowych uzyskuje specyficzną, luźną strukturę sieci krystalicznej. W lodzie każdy atom tlenu tworzy jakby cztery wiązania z atomami wodoru, przy czym dwa atomy wodoru są własne, a dwa pożyczone z innych cząstek. Cztery wiązania wodorowe ułożone są w przestrzeni tak, jakby atom tlenu znajdował się w środku czworościanu foremnego, a atomy wodoru w jego narożach. Dzieje się tak, gdyż pożyczone atomy wodoru starają się ustawić jak najbliżej atomu tlenu, przez który są przyciągane, a jednocześnie jak najdalej od innych atomów struktura lodu wodoru, przez które są odpychane. Konsekwencją takiego łączenia się cząsteczek wody jest powstanie sieci krystalicznej o luźnej strukturze przypominające połączone tunele puste w środku. Najmniejszy fragment sieci krystaliczne, który się powtarza nazywany jest komórką elementarną. Wyróżnia się siedem podstawowych układów krystalograficznych. Lód zaliczamy do układu heksagonalnego, w którym atomy tlenu znajdują się w rogach graniastosłupa o podstawie sześciokąta, a w środku nie ma żadnego atomu. Stąd kryształy lodu mają sześciokrotną oś symetrii. Gdy krzepnie woda to powstaje jednolita struktura krystaliczna lodu. Gdy w chmurach śniegowych następuje resublimacja pary wodnej, to kryształy mają dużo możliwości wzrostu i tworzą się najprzeróżniejsze kształty, ale zawsze o sześciokrotnej symetrii.

Te dziury w środku tuneli powodują, że gęstość lodu jest mniejsza od gęstości wody i lód pływa po wodzie. Jest to odmienne zachowanie od większości substancji. Prawie wszystkie ciecze, krzepnąc, zmniejszają swoją objętość, więc powstające z nich ciała stałe mają większą gęstość i wtedy toną.

Zbiornik wodny

W czasie ogrzewania lodu do temperatur bliskich temperaturze topnienia zwiększone (na skutek dostarczania ciepła) drgania cząsteczek powodują zerwanie coraz większej liczby wiązań wodorowych. W temperaturze 0°C liczba zerwanych wiązań jest tak duża, że lód zamienia się w wodę. Uwolnione cząsteczki wody zapełniają dziury, wskutek czego objętość maleje, a gęstość wody rośnie. Jednak w 0°C nie zostają zerwane wszystkie wiązania wodorowe. W bardzo zimnej wodzie pozostają resztki "tuneli" rozpadających się w miarę wzrostu temperatury. Powoduje to, że gęstość wody początkowo w czasie ogrzewania wzrasta i w temperaturze 4°C osiąga największą wartość, bowiem wtedy całkowicie rozpadają się wiązania wodorowe. Od tego momentu woda zachowuje się już jak normalne ciecze i zwiększa swoją objętość wraz ze wzrostem temperatury. Woda o największej gęstości

opada na dno i dzięki temu głębokie zbiorniki wody mają temperaturą zbliżoną do +4°C. Latem na dole zbiornika panuje najniższa temperatura, natomiast zimą na dnie woda ma zawsze temperaturę +4°C, co pozwala rybom przeżyć zimę.

Woda ma bardzo duże ciepło właściwe (ilość ciepła potrzebna do ogrzania 1kg substancji o jeden stopień), dlatego nawet podczas długotrwałego upału woda w jeziorze lub morzu ma dużo niższą temperaturę niż otoczenie. Ma to duże znaczenie dla klimatu. Klimat morski jest łagodny (ciepłe zimy i chłodne lata), bowiem zimą woda "oddaje" ciepło, a latem ciepło "pobiera".

Dużą wartość ma również ciepło topnienia wody (ciepło potrzebne do stopienia 1kg wody w temperaturze topnienia). Dzięki temu wiosną śnieg topi się powoli, pomimo, że temperatura powietrza dochodzi do kilkunastu stopni Celsjusza, co zapobiega powodziom. Późną jesienią natomiast zjawisko zamarzania wody w zbiornikach wody zachodzi powoli, stopniowo. Z tego powodu lód używa się do chłodzenia żywności np. szampan obłożony kostkami lodu. Dawniej w ten sposób przechowywano żywność.

Bardzo dużą wartość ma także ciepło parowani wody (ilość ciepła potrzebna do wyparowania 1kg wody). Proces parowania zachodzi powoli, mogą więc istnieć odkryte zbiorniki wodne oraz mała jest częstotliwość opadów atmosferycznych.

Obieg wody w przyrodzie

Woda stanowi aż 6,6% masy całej Ziemi i jednym z najbardziej rozpowszechnionych związków chemicznych. Zajmuje ona dwie trzecie powierzchni Ziemi. Występuje ona w trzech stanach skupienia i może te stany zmieniać w zależności od warunków.

obieg wody w przyrodzie Źródła wody na Ziemi:

• w oceanach - 97,24%
• w lodowcach, górach lodowych i wiecznych zmarzlinach - 2,14%
• woda gruntowa - 0,61%
• w jeziorach - 0,009%
• w morzach wewnątrz lądowych - 0,008%
• w postaci pary wodnej 0,005%
• w rzekach 0,0001%

Około 1% wody znajdującej się na Ziemi pozostaje w ciągłym ruchu. Proces ten nazywamy obiegiem wody w przyrodzie. Proces ten obejmuje tak mały procent ponieważ parowanie przebiega powoli gdyż woda ma bardzo duże ciepło parowania.

Cześć wody pochodzącej z opadów atmosferycznych oraz z topnienia śniegów i lodowców spływa z gór do strumieni, rzek, jezior, mórz i oceanów. Reszta wody najpierw wsiąka w ziemię, a potem krąży w postaci wody podziemnej pobieranej przez korzenie roślin lub zasila strumienie i rzeki.

Woda ogrzewana przez Słońce paruje z oceanów, jezior, rzek i powierzchni Ziemi. Para wznosi się do atmosfery, gdzie ochładza się i ulega kondensacji czyli skrapla się, tworząc drobne kropelki wody i kryształki lodu, z których powstają chmury. Zawarta w chmurach woda wraca na Ziemię w formie deszczu, gradu i trafia najczęściej z powrotem do oceanów. Tylko jedna dziesiąta część opadów atmosferycznych dostaje się na lądy do potoków, rzek i zwykle spływa z powrotem do mórz, po czym ponownie paruje kontynuując cykl.

Ostatnio obieg wody został zakłócony przez człowieka. Wycinanie lasów, monokultura rolnictwa, niewłaściwe i nadmierne zabiegi rolnicze, urbanizacja, eksploatacja surowców i zanieczyszczenie powietrza powoduje zwiększenie spływu powierzchniowego. Następuje obniżenie wód gruntowych, co zmniejsza zasoby wód podziemnych.

Zjawiska atmosferyczne

Chmury składają się z miliardów maleńkich kropelek wody i kryształków lodu. Pojedyncze kropelki tworzące chmurę powstają wtedy, gdy wilgotne i ciepłe powietrze staje się w wyniku wędrówki ku górze na tyle chłodne, że zawarta w nim para wodna ulega skropleniu. Kropelki, początkowo małe, zbierają się wokół pyłków kurzu oraz innych mikroskopijnych cząstek. Wznosząc się wraz z prądami powietrza, kropelki zderzają się i łączą ze sobą tworząc stopniowo większe krople. Jeśli chmura wejdzie w strefę ciepłego powietrza to wyparowuje.

Deszcz powstaje gdy łączące się kropelki chmury na wskutek wzajemnych zderzeń są na tyle duże, aby pokonać opór powietrza i spaść na Ziemie. Na kropelkę wody w powietrzu bowiem działają dwie siły: ciężkości i oporu powietrza. Dla małych kropelek siły te równoważą się przy bardzo małych prędkościach, czym większe są kropelki wody to równowaga zachowana jest przy większych prędkościach. Niektóre krople deszczu powstają w inny sposób. Początkowo znajdują się w górnej, zimnej części chmur, gdzie mają postać śniegu lub kryształków lodu, po czym, gdy znajdą się w zalegającym niżej szron ciepłym powietrzu, topnieją i spadają na ziemię jako deszcz. Prawdopodobnie co najmniej połowa opadów deszczu powstaje w ten sposób. Najmniejsze krople deszczu, określane jako mżawka, opadają na ziemię tak powoli, że wydają się stać w powietrzu. Największe krople mają prawie 6 mm średnicy i spadają z prędkością 8 m/s.

Grad powstaje gdy drobne kropelki wody znajdujące się w górnej zimnej części chmur, zamarzają, tworząc grudki lodu. Mogą mieć one duże rozmiary. Rosną bowiem oblepiane kropelkami wody, które natychmiast zamarzają.

Rosa tworzy się po ciepłym dniu gdy po zmroku powierzchnia Ziemi ochładza się. Nasycone parą wodną powietrze spotyka się z chłodniejszą powierzchnią np. liści lub trawy. Jeśli temperatura spadnie poniżej punktu rosy (temperatura, w której para wodna w powietrzu nasyca się) to wówczas para wodna ulega skropleniu.

Szron powstaje gdy punkt rosy przypada poniżej punktu zamarzania czyli poniżej 0°C. Jeśli przy temperaturze poniżej mgła 0°C nasycone parą wodną powietrze styka się z przedmiotami ochłodzonymi para wodna przechodzi bezpośrednio ze stanu gazowego w drobne kryształki (igiełki) lodu. Jest to proces resublimacji. Kryształki mogą rosnąć po połączeniu i czasami tworzą delikatne pierzaste kształty.

Szadź jest to zamrożona rosa. Występuje ona jeśli rosa powstanie, zanim temperatura opadnie poniżej 0°C, a następnie zamarza.

Mgła podobnie jak szron i rosa, tworzy się w powietrzu nasyconym parą wodną. W pewnych warunkach, zależnych między innymi od temperatury powietrza, para skrapla się, tworząc drobne kropelki. Są za małe i za lekkie, aby mogły spaść na ziemię tak, jak kropelki tworzące chmurę. Mgła jest więc chmurą znajdującą się przy powierzchni Ziemi. Powstaje też przy zetknięciu się ciepłej masy powietrza z zimną lub przez ochłodzenie się wilgotnego powietrza wznoszącego się w górę wzdłuż stoków gór.

Powstawanie płatków śniegu

Śnieg to zlepki kryształków lodu powstające w wyniku bezpośredniej zmiany pary wodnej zawartej w powietrzu w lód. Zachodzi tu więc zjawisko resublimacji. Kryształ lodu dzięki tak zwanych wiązaniach wodorowych ma strukturę heksagonalną. Jego komórka elementarna (najmniejszy fragment powtarzający się w sieci krystalicznej) ma kształt graniastosłupa o podstawie sześciokąta. Stąd kryształy lodu mają sześciokrotną oś symetrii co płatek śniegu przesądza o kształcie płatków śniegu.

Płatki śniegu powstają w chmurach, gdzie znajduje się duże nasycenie pary wodnej. Gdy temperatura staje się ujemna i znajdzie się jakieś centrum krystalizacji na przykład drobinka kurzu lub pyłek kwiatowy i to na nim rozpoczyna się kondensacja cząsteczek wody i tworzenie kryształu (woda destylowana właśnie z powodu braku drobnych zanieczyszczeń może być w stanie ciekłym nawet w temperaturze -40°C).

Tworzące się płatki mogą mieć, zależnie od temperatury i wilgotności powietrza różne kształty. Zazwyczaj są to płatek śniegu sześcioramienne symetryczne gwiazdki. Mogą też mieć kształt płaskich sześciokątnych płytek, igiełek, słupków, krążków, a czasem nieregularnych brył. Najpierw wszystkie kryształki lodu rosną tak samo, formując sześcian foremny. W czasie podróży płatka śniegu w kierunku powierzchni ziemi zmienia się zarówno wilgotność, jak i temperatura otoczenia. Na wystających krawędziach mogą się tworzyć nowe kryształy inaczej ustawione w przestrzeni niż wcześniejsze formy. Taki proces może zajść nawet kilka razy od chwili powstania płatka śniegu do momentu, w którym dotknie on gruntu, dlatego płatki śniegu mogą mieć bardzo złożone kształty. Zachowana jest jednak symetria bowiem odległość pomiędzy ramionami śniegowej gwiazdki jest na tyle mała, że każde z ramion rośnie praktycznie w tej samej temperaturze i wilgotności, a to oznacza, że rośnie w identyczny sposób. Ponieważ wszystkie powstające kryształy tworzą heksagonalną (sześciokątną) sieć krystaliczną to mają sześciokrotną oś symetrii.

W bardzo niskich temperaturach, poniżej -20°C brak jest w padającym śniegu znaleźć wymyślnych kształtów podobnych do gwiazdek. Na ziemskich biegunach pada śnieg w kształcie kolumienek czy płaskich płytek o podstawie sześciokąta. Największe i najpiękniejsze śnieżynki powstają w przedziale temperatur od -10°C do -20°C przy dużej wilgotności powietrza. W takich warunkach przyjmują one formę niewielkich płatków o rozmiarach od 2 do 4 milimetrów. Generalnie, im wyższa płatek śniegu wilgotność, tym kryształki lodu mają bardziej złożone kształty. Gdy płatki śniegu rozpoczęły życie w warunkach dużej wilgotności, a potem kontynuowały swój rozwój, gdy wody w powietrzu było znacznie mniej to na początku kształty mają złożone kształty a wraz z oddalaniem się od środka kryształka upraszczają się. Z kolei gdy rosnący kryształek z bardziej suchego powietrza wpadnie w obszar wilgotniejszego, to im dalej od jego środka (od zalążka płatka), tym wzór będzie bardziej złożony. Gdy temperatura wynosi około -5°C, a wilgotność stosunkowo wysoka śnieg ma kształt igieł o przekroju sześciokątnym, często krzyżujących się lub pozlepianych ze sobą.

Nie ma dwóch takich samych płatków śniegu, bowiem nawet dla powstałych w bezpośrednim sąsiedztwie płatków droga na ziemię nigdy nie będzie taka sama. Tak więc wpływ zmiany temperatury i wilgotności na każdy z nich będzie inny. Poza tym dla każdego płatku inne może być centrum kondensacji, do którego przyczepiły się pierwsze cząsteczki wody. A od kształtu i igły śniegowe wielkości tego centrum zależą pierwsze chwile formowania się płatka śniegowego. Drugim powodem jest to, że wodór i tlen występują w naturze w różnych odmianach. Niektóre cząsteczki wody może tworzyć zamiast zwykłego wodoru deuter, a zamiast tlenu O16 jego izotop O18.

Jak powstaje burza?

Powietrze w górnych warstwach atmosfery jest o wiele zimniejsze niż przy powierzchni Ziemi. Ciepłe powietrze jest lżejsze od zimnego, więc unosi się do góry. W trakcie wznoszenia powietrze się rozpręża i ochładza się. Wznoszące się powietrze w trakcie rozprężania staje się chłodniejsze od otoczenia, a więc cięższe i opada na dół.

Inaczej przebiega ten proces, gdy wznoszące się powietrze zawiera dużo pary wodnej. W miarę ochładzania się powietrza, zawarta w nim para wodna kondensuje się, czyli skrapla. Podczas skraplania wydziela się dużo ciepła (tyle samo, ile należało dostarczyć, aby woda wyparowała). Uwalniające się ciepło powoduje, że powietrze wilgotne stygnie wolniej i jest stale cieplejsze, a więc lżejsze od otoczenia. Ten mechanizm powoduje, że w obszarze burzy powietrze bardzo gwałtownie wznosi się do góry i osiąga wysokość powyżej 15 km. Na tej wysokości temperatura jest bardzo niska i wynosi około -60°C, więc skondensowane kropelki wody zamieniają się w lód, stopniowo łącząc się z sobą i tworząc coraz większe kryształy. Gdy cząsteczki lodu stają się zbyt wielkie, zaczynają spadać, pociągając za sobą w dół zimne powietrze. W trakcie opadania cząsteczki lodu topnieją i z chmury zaczyna padać deszcz. Ponadto stosunkowo chłodne powietrze, gdy tylko dotrze do powierzchni Ziemi, zaczyna rozchodzić się na boki. Dlatego zwykle przed burzą wieje chłodny wiatr.

Piorun w pewnym sensie przypomina olbrzymią iskrę elektryczną. Zwykła iskra powstaje przykładowo, kiedy po przejściu paru kroków po dywanie chwytamy za klamkę. Buty trąc o dywan, zbierają zeń elektrony. Zgromadzony na ciele ładunek elektryczny jest źródłem pola elektrycznego, co sprawia, że między człowiekiem a dowolnym przedmiotem powstaje różnica potencjałów. Jeśli pole jest słabe to powietrze zachowuje się jak dobry izolator. Ale kiedy dłoń zbliżamy się do klamki natężenie lokalnie wzrasta. Gdy osiągnie wartość krytyczną, zwaną napięciem przebicia wynoszącą około 3 mln V/m, powietrze staje się przewodnikiem i następuje wyładowanie: między palcem a klamką przepływa prąd.

Podczas burzy ładunki gromadzą się w podobny sposób. Rolę butów i dywanów spełniają drobiny lodu i kropelki pary wodnej, które przemieszczają się w chmurze. Nadal nie wiadomo jednak na czym dokładnie polega ten mechanizm. Drobiny zderzają się ze sobą i wymieniają ładunki, przez co przestają być obojętne. Dzięki prądom wznoszącym i grawitacji ładunki następuje separacja czyli rozdzielenie ładunków. Ładunki ujemne gromadzą się na dole chmury, a dodatnie na górze. Ujemny ładunek na dnie chmury staje się na tyle duży, że napięcie pomiędzy Ziemią a chmurą dochodzi do 100 000 000 V. Ziemia wprawdzie też ma ładunek ujemny, ale jest on tak maleńki wobec olbrzymiego ładunku ujemnego dołu chmury, że względem chmury Ziemia jest naładowana dodatnio.

Olbrzymie napięcie między chmurą a Ziemią wytwarza pole o natężeniach wynoszących tylko 200 tysięcy V/m, a więc jest to pole za małe, aby wyzwolić przepływ ładunku podobnego do iskry, która przeskakuje, gdy dotyka się klamki. Powstawanie pioruna jest bardziej złożone i nie do końca wyjaśnione. Najnowsza hipoteza powstawania wyładowań nazywana jest przebiciem z elektronami ucieczkowymi. Zauważono, że elektrony poruszające się z prędkościami bliskimi prędkości światła podczas zderzeń z cząstkami powietrza tracą mało energii i są przyspieszane przez pole elektryczne. Do rozpoczęcia procesu wyładowania potrzebne są więc szybkie elektrony. Naukowcy twierdzą, że czynnikiem inicjującym wyładowanie może być promieniowanie kosmiczne, czyli wysokoenergetyczne cząstki lecące z przestrzeni kosmiczne, ewentualnie cząstki o dużej energii, powstałe z rozpadów jądrowych w atmosferze. Taka szybka cząstka zderza się w chmurze z cząsteczką powietrza (zazwyczaj tlenu lub azotu), początkując deszcz superszybkich elektronów. Elektrony te uderzają o cząstki powietrza wybijając z nich następne szybkie elektrony zwane elektronami ucieczkowymi. Pole elektryczne istniejące między chmurą a ziemią przyspiesza elektrony, inicjując lawinę elektronów ucieczkowych, które są źródłem rozbłysków gamma. Elektrony tworzą na swej drodze kanał zwany liderem krokowym lub prekursorem. Na każdym z odcinków elektrony gromadzące się w czole lidera są źródłem silnego, lokalnego pola, które przyspiesza więcej elektronów ucieczkowych. Następnie wyhamowują na skutek zderzeń z cząsteczkami powietrza emitując promieniowanie rentgenowskie. Znów na czole gromadzi się dużo elektronów i i proces powtarza się wielokrotnie, aż lider krokowy, który może się wielokrotnie rozgałęziać, dotrze do ziemi. Trwa to zaledwie kilka ułamków sekundy.

burza Kiedy lider połączy ziemię i chmurę w powstałym zjonizowanym kanale zaczyna płynąć prąd o dużym natężeniu i zgodnie z prawem Joule'a wydziela się ciepło. Powietrze rozgrzewa do temperatury sięgającej 30000°C. Powoduje to potężny błysk, a powietrze rozgrzane do bardzo wysokiej temperatury gwałtownie się rozpręża i powstaje grzmot. Stąd huk jak przy wystrzale. Podczas przepływu błyskawicy, powietrze na swojej drodze na ułamek sekundy zmienia się w czwarty stan materii zwany plazmą. Prąd płynący w błyskawicy ma natężenie w szczycie od 2000A do 200 000 A. Wzrasta on do maksymalnego w czasie zaledwie 10 mikrosekund. Całe wyładowanie trwa od 0,02 do 0,05 sekundy. Takich kolejnych uderzeń może być wiele (zaobserwowano do 42 błyskawic na tym samym torze), zawsze jednak następują one bardzo szybko po sobie. Potem chmura zaczyna się ponownie ładować przez co najmniej 5 s i proces może nastąpić ponownie.

Na całej kuli ziemskiej uderza co minutę około 6000 piorunów, najwięcej w rejonach tropikalnych. Najczęściej długość pioruna waha się w granicach kilometra, ale spotkano także takie, które miały więcej niż 10 km (rekordzista mierzył nawet 150 km). Zwykły piorun nazywany jest piorunem liniowym. Znane są również pioruny międzychmurowe. Najbardziej tajemnicze są pioruny kuliste.

Ładunki elektryczne najchętniej gromadzą się na wszelkiego rodzaju ostrzach. Dlatego największe prawdopodobieństwo jest uderzenia pioruna w ostry wystający przedmiot. Na tej zasadzie działają odgromniki, zwane potocznie piorunochronami.

Przebywanie w czasie burzy wiąże się z niebezpieczeństwem porażenia. Nie tylko bezpośrednio ale także w pewnej odległości od miejsca uderzenia. Po uderzeniu ładunek spływa do ziemi i powierzchnia wokół punktu uderzenia ma pewien potencjał, malejący z odległością. Podczas poruszania się człowieka pojawia różnica potencjałów między jedną nogą a drugą, zwana napięciem krokowym, może doprowadzić do porażenia. Najczęściej piorun uderza w drzewa, wzgórza i wysokie obiekty (np. budynki). Dlatego najgorszym miejscem do schronienia się przed burzą jest wysokie, odosobnione drzewo. Trzeba poszukać obniżenia terenu z daleka od przedmiotów metalowych. Warto zostać w samochodzie, gdyż jest on swojego rodzaju puszką Faradaya. Ładunki bowiem gromadzą się jedynie na zewnątrz przedmiotu metalowego, więc w razie uderzenia pioruna w samochód, prąd spłynie po karoserii, nie wnikając do wnętrza. Osoby przebywające w większej grupie powinny się rozproszyć. Podczas burzy bezpiecznie jest w budynku, jaskini, kanionie. Ryzykowne jest pozostawanie w wodzie i na wodzie w łódce.

Przy opracowaniu tematu korzystano z następujących materiałów:

Podręcznik dla gimnazjum wydawnictwa "Nowa Era"

Artykuł z numeru 2/2006 czasopisma "Wiedza i Życie"

Świat Nauki nr 6/2005,

Młody Technik nr 8/2005.

http://www.fizyka.net.pl/

http://www.its.caltech.edu/~atomic/snowcrystals/