S E M I N A R S K I R A D I Z F I Z I K E
ATMOSFERSKI ELEKTRICITET
UVOD
UOPŠTE O ATMOSFERSKOM ELEKTRICITETU
Atomi i molekuli vazduha mogu dobiti ili izgubiti elektrone i pri tome postaju električki
nabijeni, stvarajući pozitivne i negativne jone i slobodne elektrone. Nosilac električnog
naboja može se udružiti sa nekim molekulom, česticom prašine, elementom oblaka
(meteorološki termin za kapljice kiše, snežne ili ledene kristale, kondezaciona i sublimaciona
jezgra), pa tako nastane nabijena čestica. Pojavom naboja atmosfera postaje električki
provodljiva i dolazi do električne struje.
Slika 1. Atmosferski slojevi klasifikovani prema: A) raspodeli temperature,
B) prema brojevnoj gustini elektrona,
C) prema prevladavajućim procesima sa stanovišta aeronomije.
MUNJE
DEFINICIJA
Munja je vidljivo pražnjenje atmosferskog elektriciteta do kojeg dolazi kada određeno
područje atmosfere postane električki nabijeno ili se pojavi razlika potencijala dovoljna da
savlada otpor vazduha.
Munja najčešće udara iz olujnih oblaka
kumulonimbusa
. Tokom oluje munja se može pojaviti
u oblaku, između oblaka, između oblaka i vazduha kao i između oblaka i tla.
MUNJE KROZ ISTORIJU
U srednjevekovnoj Evropi zbog munja je bilo izuzetno opasno biti zvonar u crkvi. Tokom
oluja sa grmljavinom bio je običaj da se zvoni što jače jer se smatralo da će se time sprečiti
da munja udara u vrh crkvenog tornja. Verovalo se da zvonjava rasteruje zle duhove koji
vatrom žele uništiti crkvu, a mislilo se da buka zvonjave lomi munje. O tome i danas svedoče
natpisi "Fulgura frango" (ja lomim munje) na srednjevekovnim zvonima. Od 1753.god. do
1786.god. u Francuskoj su munje 386 puta udarile u crkvene tornjeve. U navedenom
razdoblju u Francuskoj su, nastojeći "slomiti" munje zvonjavom, nastradala 103 zvonara.
Znači da je skoro svaka treća munja koja je udarila u crkvu bila za nekoga kobna. Te
katastrofalne brojke dovele su do toga da je francuska vlada 1786.god. zabranila zvonjavu za
vreme oluja sa grmljavinom.
Interesantno je istaći da je na primer 1998.god. munja u Kongu pobila celokupnu fudbalsku
ekipu (11 igrača), a da se 1999.god. slična situacija dogodila u Koloradu kada je celokupna
ekipa bila povređena.
U munji ima puno energije: oko 250 kilovat sati. Ne zvuči puno, ali s tom količinom energije
možete podići jednotonac 120 kilometara uvis.
Nikolu Teslu zvali su i Gospodar Munja. Sasvim zasluženo jer je 1899.god. u Kolorado
Springsu u Americi stvorio najdužu veštački izazvanu munju. Bila je duga 41 metar.
NASTAJANJE
U olujnom nevremenu olujni oblaci su napunjeni elektricitetom poput velikih električnih
kondenzatora. Gornji deo oblaka nabijen je pozitivno, a donji negativno. Naučnici se još nisu
usaglasili kako nastaje ovo električno punjenje oblaka, ali se pretpostavlja da je to jedan od
rezultata globalnog kruženja vode na Zemlji. U osnovnim crtama, kruženje vode uključuje
evaporaciju
i
kondenzaciju
. U procesu evaporacije voda isparava sa površine Zemlje i u
obliku pare podiže se u više slojeve atmosfere. Kako temperatura opada sa visinom, i kako se
u višim slojevima atmosfere nalaze tzv. kondezacione čestice (recimo zrnca prašine), vodena
para kondenzuje, ponovo se pretvara u kapljice vode i pada na zamlju kao kiša ili sneg
zavisno od temperature vazduha.
Kada se vlaga nakupi u atmosferi, nastaju oblaci, koji mogu nositi milione kapljica vode ili
leda.
Kako se procesi evaporacije i kondenzacije međusobno prepliću, kondenzovane kapljice u
oblacima neprestano se sudaraju sa vodenom parom koja stiže sa tla, kao i tokom padavina
jer dok se jedan deo vlage vraća na zemlju drugi isparava. Upravo tokom ovih sudara iz
vodene pare izbijaju elektroni koji tako stvaraju električni naboj. Kako do sudara dolazi u
donjem delu oblaka izbijeni elektroni ovde stvaraju negativan naboj (višak negativno
nabijenih čestica). Vlaga, koja nakon sudara nastavlja put prema gornjim slojevima
atmosfere odnosno oblaka, na vrh oblaka stiže sa pozitivnim nabojem-nedostaje joj elektron
koji je izbijen u sudaru. Tako se na vrhu oblaka stvara višak pozitivnog naboja. Osim sudara
u procesu električnog nabijanja oblaka značajnu ulogu igra i zamrzavanje. Kako se vodena
para podiže u hladnije slojeve i počinje se zamrzavati, deo koji se zamrzne postaje negativno
nabijen, dok nezamrznuti deo ostaje pozitivno nabijen. Vazdušne struje mogu dalje odneti
pozitivne čestice do vrha oblaka (lakše su) i time dodatno ubrzati stvaranje viška pozitivnog
naboja. Izbijanjem elektrona i odvajanjem pozitivno nabijenih čestica vodene pare u oblaku
nastaju razlike potencijala, odnosno stvara se električno polje-prvi preduslov za nastajanje
električnog pražnjenja.
Slika 3. Šema grmljavinskog oblaka kao baterije za održavanje globalnog elektrostatičkog polja i strujnog kruga u atmosferi
Električni naboji u grmljavinskom oblaku raspoređuju se na elementima oblaka (jezgra
kondenzacije i sublimacije, kapi kiše, ledene čestice i snežni kristali). Područje unutar oblaka
sa preovladavajućim nabojem istog predznaka čine pozitivne ili negativne ćelije unutar
oblaka. Sledeća slika prikazuje skicu oblaka sa dve ćelije suprotnog naboja. Nabijene čestice
i ćelije naboja istog predznaka u oblaku, su prostorno odvojeni neutralnim vazduhom
između, a taj je loš vodič elektriciteta. Turbulencija približava ili udaljava pojedine čestice i
područja istog naboja unutar oblaka, što izaziva promenljivost jačine električnog polja. Kad
momentalna vrednost polja premaši kritičnu vrednost jačine (> 1 MV/m), dođe do udarne
jonizacije i izbijanje električne iskre odnosno do pojave munje.
