Trăsnet

thumb|250px|Trăsnete deasupra Oradiei. Trăsnetul este o descărcare electrică disruptivă care se produce între nor și pământ și poate fi negativ sau pozitiv. Producerea unui trăsnet este însoțită de fulger și tunet. Decalajul dintre observarea fulgerului și auzirea tunetului se datorează diferenței dintre vitezele de propagare ale celor două unde, luminoasă de circa 300.000 km/s și acustică (sonoră) de circa 332 m/s (la 0°C și presiunea de 1 atmosferă). Din această cauză, există un decalaj de timp între recepționarea vizuală (fulgerul) și auditivă (tunetul) a trăsnetului. Acest decalaj crește cu cât trăsnetul este mai departe de observator. Trăsnetul este o descărcare electrică care restabilește echilibrul electric între nor și pământ. Tensiunea între un nor și pământ a fost măsurată la câteva zeci de milioane de volți. Aerul uscat are o putere de străpungere de circa 3 milioane de volți/metru care ar duce (considerând lungimea trăsnetului de 1-2 km) la o tensiune mult mai mare decât cea măsurată. La nivel mondial, trăsnetul provoacă zeci de mii de victime umane în fiecare an.

Protecția împotriva trăsnetului thumb|right|350px| Trăsnetul negativ (cel obișnuit) se produce între baza norului și pământ, trăsnetul pozitiv între partea superioară a norului și pământ. Deoarece trăsnetele pozitive lovesc pământul într-o zonă care se poate afla până la zece kilometri (sau mai mult) distanță de baza norului de furtună de origine, acestea au fost numite trăsnete din cer senin. În plus, trăsnetele pozitive au o energie mult mai mare decât cele negative (vedeți mai jos). thumb|right|350px|Numărul mediu de trăsnete pe kilometru pătrat pe an în lume. Protecția împotriva trăsnetului este dată de paratrăsnet, un dispozitiv inventat la jumătatea secolului al XVIII-lea de către Benjamin Franklin. Majoritatea oamenilor loviți de trăsnet sunt surprinși de furtună într-un loc expus sau se află în imediata vecinătate a unui copac lovit de trăsnet.

Avioanele sunt protejate cu un dispozitiv numit în engleză discharge wicks. Acestea sunt elemente metalice ascuțite pe aripi care minimizează sarcina statică ce se acumulează pe suprafața metalică a avionului în zbor.

Distanța până la trăsnet Producerea unui trăsnet este însoțită de fulger și tunet. Decalajul dintre observarea fulgerului și auzirea tunetului se datorează diferenței dintre vitezele de propagare ale celor două unde, luminoasă de ca. 300.000 km/s și acustică (sonoră) de ca. 332 m/s (la 0 °C și presiunea de 1 atmosferă). Din aceasta cauză există un decalaj de timp între recepționarea vizuală (fulgerul) și auditivă (tunetul) a trăsnetului. Acest decalaj crește cu cât trăsnetul este mai departe de observator. Distanța în kilometri până la locul lovit de trăsnet se poate afla împărțind numărul de secunde dintre observarea fulgerului și auzirea tunetului la 3. De exemplu, dacă sunt 9 secunde între fulger și tunet, trăsnetul a lovit la aproximativ 3 km depărtare. Chiar și așa, un canal prin care se descarcă o sarcină electrică (trăsnet) poate avea mai multe canale cât și extensii ale acestora ascunse în nor, ceea ce de multe ori le fac invizibile pentru observator. Acestea pot fi văzute atunci când are loc prima descărcare, de cele mai multe ori în cazul trăsnetelor negative, fiind iluminate odată cu canalul principal prin care s-a descărcat trăsnetul. Așadar, pentru o mai bună calculare, continuați să numărați până auziți un sunet puternic, asurzitor și specific care deseori este însoțit de o vibrație (dacă sunteți suficient de aproape).

Formarea trăsnetului

Încărcătura electrică a unui nor de furtună și a pământului Benjamin Franklin a demonstrat în anul 1752, cu ajutorul unui zmeu de hârtie, prezența unei sarcini electrice în nori de furtună (observând încărcătura electrică a funiei umede cu care ținea zmeul).

Cercetări ulterioare au stabilit că, în nori de furtună numiți Cumulonimbus (nimbus cumulus), nori în care cu o probabilitate mare vor lua naștere trăsnete, curenții de aer repartizează inegal gheața și apa în interior. Prin frecarea straturilor norului se formează spații cu încărcătură (ionică) electrostatică negativă și pozitivă. Zona de trecere dintre regiunile cu sarcini pozitive și negative au loc la înălțime mare și temperaturi între −10°C și −15°C, aici picăturile de apă din nor transformându-se în cristale de gheață. Stratul superior (de sus) al norului este în mod normal încărcat pozitiv, iar stratul inferior (de jos) negativ. Aceste sarcini induc la rândul lor sarcini de semn opus la suprafața pământului (vedeți figura). Atunci când instabilitatea dintre aceste două zone încărcate electric atinge maximul, formarea unui canal numit în engleză „stepped ladder”, care are formă de scară în trepte (de unde și numele), începe să se formeze. Aceasta coboară cu rapiditate mare spre pământ.

Atunci când aerul este expus unei cantități semnificative de diferență de potențial, se formează un strimer. Atunci când câmpul electric este suficient de mare, electroni accelerați lovesc moleculele de aer cu suficientă energie pentru a le dezlipi de electroni, ionizându-i, iar electronii liberi lovesc mai multe molecule libere într-o reacție în lanț. Aceste avalanșe de electroni formează regiuni din aer ionizate și bune conductoare de electricitate, formând un câmp electric. Locul liber încărcat creat de aceste avalanșe dau naștere la un alt câmp electric. Acest câmp sporește creșterea a noi avalanșe într-o direcție particulară. Atunci regiunea ionizată crește rapid în acea direcție, creând o descărcare în formă de deget numită strimer.

Atunci când canalul trăsnetului este foarte aproape de pământ (30 metri), acești strimeri urcă cu rapiditate în sus de pe obiectele de pe pământ, pentru a întâlni canalul și a forma descărcarea. Un singur strimer va alege un singur canal, având loc trăsnetul în mai puțin de o secundă.

Deși fulgerul pare foarte gros și mare, în funcție de distanța observatorului față de acesta, în realitate trăsnetul nu este mai mare de 2-5 cm în diametru.

Descărcarea electrică Trăsnetul este o descărcare electrică care restabilește echilibrul electric între nor și pământ (vedeți figura).

Tensiunea între un nor și pământ a fost măsurată la câteva zeci de milioane de volți. Aerul uscat are o putere de străpungere de cca. 3 milioane de volți/metru, care ar duce (considerând lungimea trăsnetului de 1-2 km) la o tensiune mult mai mare decât cea măsurată. Observații asupra trăsnetelor au stabilit că acestea sunt precedate de o descărcare prealabilă, în care aerul este ionizat într-o lavină electronică, rezultând o reacție în lanț, care creează un canal de aer ionizat pentru trăsnet cu o putere de străpungere de aproximativ 50 de ori mai mică decât a aerului ne-ionizat. Acest canal se formează în vecinătatea corpurilor proeminente de pe pămant, unde intensitatea câmpului electric este maximă. Descărcarea (sau descărcările) principală/e are/au loc exclusiv în lungul acestui canal de aer ionizat, de obicei în formă de zigzag. Există ipoteza că aerul este ionizat de radiațiile cosmice (Charles Thomson, 1925), deși aceasta explicație nu este acceptată de către toți cercetătorii. În prezent, cercetarea trăsnetelor continuă și utilizează mici rachete sau baloane metereologice de cercetare.

Într-o descărcare electrică normală, 90% din energia trăsnetului este convertită imediat în căldură, în timp ce mai puțin de 1% este convertită în sunet și restul în lumină.

Tunetul

Aerul din jurul canalului în momentul descărcării trăsnetului se încălzește brusc, ajungând la o temperatură de 28.000 °C (în medie), aproximată a fi de 5 ori temperatura de la suprafața soarelui, inițial producând o expansiune explozivă, rapidă și violentă a aerului înconjurător, rezultând într-o undă de șoc care ulterior, după o distanță de aproximativ 10 metri, încetinește la o viteză mai mică, devenind o undă sonoră normală percepută de urechile noastre ca „tunet”.

Lungimea și durata trăsnetului Trăsnet negativ Descărcarea prealabilă durează 0,01 s, urmată de cea principală de numai 0,0004 s, urmată la rândul ei, după o scurtă pauză (de 0,03 s - 0,05 s), de noi descărcări (în medie, 4 sau 5 descărcări principale sau propriu zise). Au fost observate până la 42 de astfel de descărcări succesive într-un trăsnet, cu un curent mediu de 20 000 amperi. Datorită duratei foarte scurte a unui trăsnet, doar câteva microsecunde, intensitatea curentului electric poate atinge sute de mii de amperi, iar temperatura plasmei din interiorul acestuia poate depăși 28 000. Un trăsnet atinge în medie lungimea de 1 - 2 km. În zonele tropicale, unde umiditatea aerului e mai ridicată, trăsnetele pot ajunge la 2 - 3 km lungime. În nori s-au observat fulgere cu o lungime de 5 - 7 km, iar cu ajutorul radarului pentru trăsnete, unele care ating 140 km lungime. Tensiunea unui trăsnet cu o lungime de 1 km este de aproximativ 100 milioane de volti. Sarcina totală care este descărcată într-un trăsnet este în medie de 5 coulomb. Cu o durată medie de aproximativ 30 de microsecunde, curentul mediu al unui trăsnet negativ este de aproximativ 100 000 A. Energia totală descărcată este aproximativ 500 MJ.

Trăsnet pozitiv Deoarece trăsnetele pozitive au lungimea mai mare și descarcă sarcini de pe suprafețe mai întinse, acestea au o energie mult mai mare decât cele negative. Trăsnetele pozitive sunt de obicei asimiliate furtunilor foarte puternice și intense (furtuni supercelulare). Lungimea și, prin urmare, tensiunea sunt de aproximativ 10 ori mai mare decât a trăsnetelor negative Sarcina descărcată este de aproximativ 100 de ori mai mare. Prin urmare frecvența de producere este de aproximativ 100 de ori mai mică, comparativ cu trăsnetele negative (mai exact 5 %). Durata și curentul sunt ambele de aproximativ 10 ori mai mari. Energia este de aproximativ 1000 de ori mai mare. Trăsnetele pozitive pot fi identificate pe fotografii sau videoclipuri ușor, deoarece acestea sunt de obicei foarte luminoase în comparație cu celelalte tipuri de trăsnete și canalul principal nu se desparte în mai multe părți. 'Trăsnetele din cer senin' sunt de cele mai multe ori pozitive, dar pot fi și negative. Astfel de trăsnete pot încălzi aerul până la 39,000 °C.

Clasificarea trăsnetelor

Trăsnetele reprezintă orice descărcare de sarcină electrică pozitivă sau negativă care are loc printr-un canal ionizat și care implică un nor (sau mai mulți) și pământul.

Vezi fulger pentru tipurile de fulgere.

Trăsnet de la pământ la nor Trăsnetele de acest tip (uneori numite trăsnete care merg în sus) sunt un anume tip de trăsnete care sunt inițiate de o scară care merge în sus și care originează de pe un obiect de pe pământ (nu o scară care se propagă în jos și care originează în interiorul norului). Trăsnetele de la pământ la nor pot fi de asemenea negative sau pozitive în polaritate. Acestea pot fi de două tipuri (A și B) și pot fi ușor identificate pe fotografii sau videoclipuri prin identificarea tipului acestora (pornesc de la un obiect de pe pământ și merg în sus, despărțindu-se în două sau trei părți distinctive care sunt luminate alternativ, fie doar o singură parte).

Variații observaționale

Pe lângă tipurile clasice de trăsnete, mai există și alte fenomene sau variații ale acestora. Deși acestea sunt în esență tot trăsnete, sunt clasificate drept fenomene sau variații ale trăsnetelor, deoarece diferă într-o oarecare măsură de trăsnetele clasice. Vezi mai jos o detaliere amănunțită.

Din moment ce acestea nu au loc în interiorul unui singur nor sau a mai multor nori și de cele mai multe ori implică și pământul, acestea au fost incluse la trăsnet, nu fulger.

Trăsnet în formă de șirag

Fenomen prin care canalul trăsnetului se răcește rapid după descărcare, dând impresia unei forme de șirag de mărgele. În realitate, toate canalele suferă acest fenomen, deoarece canalul se răcește rapid după descărcare. Acest fenomen poate fi observat doar dacă observatorul este aproape de canal.