Mechanizm powstawania burzy, błyskawic i piorunów

Powietrze w górnych warstwach atmosfery jest o wiele zimniejsze niż przy powierzchni Ziemi. Ciepłe powietrze jest lżejsze od zimniejszego, więc unosi się do góry. W trakcie wznoszenia powietrze się rozpręża, a przy rozprężaniu wszystkie gazy bardzo się ochładzają. Wznoszące się powietrze w trakcie rozprężania staje się chłodniejsze, co może spowodować, że stanie się cięższe od otoczenia i zacznie opadać 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. Przy kondensacji wydziela się dużo ciepła. Uwalniające się ciepło powoduje, że powietrze wilgotne stygnie wolniej i jest stale cieplejsze, a więc lżejsze od otoczenia.

To jest właśnie mechanizm, który powoduje, że w obszarze burzy powietrze bardzo gwałtownie – z prędkością pociągu pośpiesznego – wznosi się do góry i osiąga wysokość powyżej 15 000 m. Na tej wysokości temperatura jest bardzo niska (około -60°C). Skondensowane kropelki wody zmieniają się w lód, stopniowo łącząc się ze sobą i tworząc coraz większe kryształy. Gdy cząsteczki lodu stają się zbyt wielkie, zaczynają spadać, pociągając ze 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.

Opadanie cząsteczek lodu lub kropel wody związane jest jeszcze z jednym zjawiskiem. Ponieważ Ziemia naładowana jest ujemnie, dół kropli lub kryształka lodu ładuje się przez indukcję ładunkiem dodatnim. W czasie lotu w dół ten dodatni koniec kryształka lub kropli odpycha ze swojej drogi jony dodatnie, natomiast przyciąga i pochłania jony ujemne. Następuje tzw. separacja ładunku. Ładunki ujemne gromadzą się na dole chmury, a dodatnie na górze (jest to jedna z teorii separacji ładunku w chmurze stworzona przez angielskiego fizyka C.T.R. Wilsona).

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. Te olbrzymie napięcia powodują wyładowania łukowe, czyli uderzenia pioruna.

Sam piorun też jest zjawiskiem bardzo złożonym. Najpierw od chmury odrywa się mały, jasny punkt zwany prekursorem (liderem kaskadowym), który pędzi w kierunku Ziemi z prędkością około 50 000 km/s. Przebywa około 50 m i zatrzymuje się na około 50 mikrosekund i znowu posuwa się o krok, zwykle w nieco innym kierunku. Takimi skokami przebywa drogę aż do Ziemi. Droga, którą przebył, pełna jest ładunków ujemnych i staje się jakby drutem łączącym chmurę z Ziemią. Gdy w końcu ładunek ujemny zbliży się do Ziemi, z Ziemi zaczyna się wyładowanie w jego kierunku. Główne, najjaśniejsze uderzenie biegnie od Ziemi do góry, powodując błysk i grzmot. Prąd płynący w błyskawicy ma natężenie w szczycie około 10 000 amperów (a czasem więcej).

Ale to jeszcze nie koniec. Po kilku setnych sekundy biegnie w dół nowy prekursor, zwany „ciemnym prekursorem”. Biegnie tą samą drogą co pierwszy, ale już się nie zatrzymuje. Znowu następuje uderzenie powrotne po przygotowanej przez niego drodze. Takich kolejnych uderzeń może być wiele (zaobserwowano do 42 błyskawic na tym samym torze), zawsze jednak następują one bardzo szybko po sobie. Potem chmura „odpoczywa” przez co najmniej 5 s.

Z opisanego mechanizmu widać również, dlaczego piorun uderza w wystające, ostre przedmioty. Ładunki elektryczne najchętniej gromadzą się na wszelkiego rodzaju ostrzach. Błyskawica przebiega właściwie od chmury do Ziemi, więc gdy prekursor znajdzie się w pobliżu wystającego, ostrego budynku lub drzewa, wyładowanie zaczyna się od tego ostrza i dosięga prekursora.

Grzmot powstaje na skutek tego, że na drodze przejścia błyskawicy wydziela się bardzo duża ilość ciepła (zgodnie z prawem Joule’a). Powietrze rozgrzane do bardzo wysokiej temperatury gwałtownie się rozpręża, stąd huk jak przy wystrzale. W ten uproszczony sposób można przedstawić powstanie burzy, błyskawic i piorunów. W rzeczywistości mechanizm powstania burzy, błyskawic i piorunów jest dużo bardziej skomplikowany i jeszcze nie do końca wyjaśniony.