Ενεργειακή Μελέτη Αστραπής

 

 Ενεργειακή Μελέτη Αστραπής

Από τους μαθητές της Γ΄ τάξης:

Στέλιο Σδούγκο

Γρηγόριο Μουσταφέρη

Μαρία Παναγιωτοπούλου

Για πάρα πολλά χρόνια ήταν γνωστό ότι η ατμόσφαιρα αποτελείται κυρίως από μοριακό άζωτο, οξυγόνο και διοξείδιο του άνθρακα. Σήμερα, με την αύξηση της ατμοσφαιρικής ρύπανσης και με την επίδραση της θερμοκρασίας κατά την μεταφορά τους, οι ρύποι μέσω χημικών αντιδράσεων μετατρέπονται σε άλλους ρύπους, επιβαρύνοντας έτσι την ατμόσφαιρα σε τοπικό και παγκόσμιο επίπεδο.  Προκειμένου να γίνει κατανοητή η παρουσία των ηλεκτρικών φορτίων στην ατμόσφαιρα, πρέπει να αναλυθεί η χημική σύσταση της ατμόσφαιρας και ο τρόπος που ιοντίζονται οι χημικές ενώσεις. Είναι χρήσιμο, επομένως, να αναφερθούν οι σημαντικότερες χημικές ενώσεις και τα στοιχεία που βρίσκονται σε τέτοιες συγκεντρώσεις, που επηρεάζουν την ηλεκτρική κατάσταση της ατμόσφαιρας.

 Στην  ανώτερη ατμόσφαιρα, η ηλιακή υπεριώδης ακτινοβολία είναι υπεύθυνη για τον ιονισμό των μορίων και των ατόμων και τη δημιουργία της ιονόσφαιρας.  Όμως η υπεριώδης ηλιακή ακτινοβολία δεν φτάνει στην τροπόσφαιρα, γιατί απορροφάται στα ανώτερα ατμοσφαιρικά στρώματα. Οι κοσμικές ακτίνες υψηλής ενέργειας (κυρίως πρωτόνια) που φθάνουν στο περιβάλλον της γης από το σύμπαν και μέσω κρούσεων με τα συστατικά ατμοσφαιρικά αέρια δημιουργούν ιόντα. Οι κοσμικές ακτίνες χαμηλότερης ενέργειας απορροφώνται στην ανώτερη ατμόσφαιρα, ενώ οι πιο ενεργητικές φθάνουν μέχρι το έδαφος. Αν η ακτινοβολία προσπέσει σε ένα σύννεφο το οποίο είναι πλούσιο σε μόρια νερού και ρύπους, τότε το νερό ιοντίζεται και δίνει θετικά ιόντα νερού και ηλεκτρόνια. Επειδή κατά την διάσπαση τα ιόντα έχουν αρκετή ενέργεια, ιοντίζουν με την σειρά τους ρύπους που βρίσκονται στο νέφος, αυξάνοντας έτσι την πυκνότητα των ιόντων και κατά συνέπεια των ηλεκτρικών φορτίων. Η αριθμητική πυκνότητα (συγκέντρωση) των ιόντων στην ατμόσφαιρα δεν είναι σταθερή, αλλά μεταβάλλεται χρονικά και χωρικά. Επομένως, η παρατηρούμενη κατά τα τελευταία χρόνια αύξηση των ηλεκτρικών εκκενώσεων συνδέεται και με την αύξηση της ρύπανσης της ατμόσφαιρας.

 Στην ατμόσφαιρα υπάρχει πάντα ένα ηλεκτρικό πεδίο σαν αποτέλεσμα του καθαρού ελεύθερου φορτίου στην επιφάνεια της γης και στην ατμόσφαιρα. Το ηλεκτρικό πεδίο στην ατμόσφαιρα είναι ηλεκτροστατικής φύσης και μεταβάλλεται ευρύτατα, χωρικά και χρονικά. Το φορτίο της γης παραμένει σχεδόν σταθερό, γεγονός που συνεπάγεται την ύπαρξη κάποιου ισχυρού μηχανισμού ηλεκτρογεννήτριας που συνεχώς φορτίζει τη γη. Αυτός ο μηχανισμός φόρτισης του πυκνωτή ατμόσφαιρα - γη σχετίζεται άμεσα με τις κεραυνο-καταιγίδες, που λαμβάνουν χώρα ανά τον κόσμο με ρυθμό μερικών εκατοντάδων ανά πάσα στιγμή.

  Για την προέλευση των ηλεκτρικών φορτίων τα οποία σχηματίζουν τον κεραυνό, δεν υπάρχουν σαφείς απόψεις. Παρ’ όλα αυτά, όλοι δέχονται ότι η παρουσία του νερού παίζει σημαντικό ρόλο στην εκδήλωσή του. Αυτό είναι αναμενόμενο, καθώς τα μόρια του νερού εμφανίζουν διπολική ροπή με το άτομο του οξυγόνου να είναι αρνητικά φορτισμένο, ενώ τα άτομα του υδρογόνου έχουν θετικό φορτίο. Στην πράξη, τα μόρια του νερού δεν παραμένουν στάσιμα, επειδή όσο αυξάνεται η συγκέντρωση, τόσο αυξάνεται και η αλληλοσύγκρουση, ώστε τελικά το σύννεφο να φέρει, για λόγους ισορροπίας, τον ίδιο αριθμό θετικών και αρνητικών φορτίων. Με λίγα λόγια, η φόρτιση ενός νέφους δεν είναι τίποτα άλλο παρά ένας διαχωρισμός φορτίων. Αυτός ο διαχωρισμός των φορτίων μέσα στο νέφος συμβαίνει μέσα σε μικρό σχετικά χρονικό διάστημα, ενώ παράγει τεράστιες δυνητικά ποσότητες ηλεκτρισμού μέσα στο σύννεφο και μεταξύ νέφους και γης. Αυτό υπολογίζεται σε χιλιάδες Volts και τελικά η διηλεκτρική αντίσταση του αέρα σπάει και έτσι αρχίζει η αστραπή. Ο κεραυνός είναι η ηλεκτρική εκκένωση μεταξύ των θετικά και αρνητικά φορτισμένων περιοχών του σύννεφου.

 Ο κεραυνός ο οποίος αναπτύσσεται μεταξύ νέφους και γης είναι ο πιο καταστροφικός και επικίνδυνος. Οι περισσότερες αστραπές προέρχονται από το κατώτερο και αρνητικά φορτισμένο μέρος του νέφους και μεταφέρουν το αρνητικό φορτίο.

 Ως αστραπή μπορεί να οριστεί η μεταφορά μιας υψηλού ρεύματος ηλεκτρικής εκκένωσης, της οποίας η διαδρομή ανέρχεται σε χιλιόμετρα. Η αστραπή εκδηλώνεται σε μια περιοχή της ατμόσφαιρας που έχει αποκτήσει ένα κρίσιμο ηλεκτρικό φορτίο, οπότε αλληλεπιδρά με το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο και προκαλεί ηλεκτρική εκκένωση στον αέρα.

 

Σχέση αστραπής και όζοντος

Τον 20ο αιώνα το όζον πιστοποιήθηκε ότι βρίσκεται σε μέρη ανά εκατομμύριο κατ' όγκο στη στρατόσφαιρα, δηλαδή στο στρώμα της ατμόσφαιρας σε ύψος 15-50 χιλιόμετρα από την επιφάνεια της Γης. Το όζον αυτό έχει προστατευτική σημασία για τους ζωντανούς οργανισμούς στην επιφάνεια της Γης, επειδή απορροφά τη βλαβερή υπεριώδη ακτινοβολία του Ήλιου. Το όζον σχηματίζεται φωτοχημικά κατά τη διαδικασία φωτόλυσης του οξυγόνου και οργανικών αερίων. Η κυριότερη πηγή είναι η φωτόλυση του οξυγόνου από το ηλιακό φως στην ανώτερη περιοχή της ατμόσφαιρας και του διοξειδίου του αζώτου κοντά στον στερεό φλοιό της γης.  Το όζον στην ατμόσφαιρα εμφανίζεται με δύο πρόσωπα: εμφανίζεται ως "καλό όζον", που δημιουργείται φυσικά και βρίσκεται στην στρατόσφαιρα (17-50 km) και στα ανώτερα στρώματα της τροπόσφαιρας, και ως "κακό όζον", το όζον -"ρύπος", που βρίσκεται σε χαμηλά ύψη στην τροπόσφαιρα (0-2 km).                                                 

Στην στρατόσφαιρα, 25-50 km, το όζον θεωρείται βασική ένωση για την επιβίωση των ζώντων ειδών, μεταξύ των οποίων και ο άνθρωπος. Το "καλό όζον" απορροφά την υπεριώδη ακτινοβολία και αποτρέπει την επίδρασή της στην υγεία του ανθρώπου. Η ζώνη αυτή πιστεύεται ότι δεν υπήρχε με την γένεση του πλανήτη, αλλά σχηματίζεται με την εμφάνιση του οξυγόνου πριν από περίπου 2 δισεκατομμύρια χρόνια. Η παρουσία του οξυγόνου και του όζοντος επέτρεψαν την έξοδο των υδρόβιων ζώων προς την ξηρά και την εμφάνιση της ζωής στην γη. Αντιθέτως, το "κακό όζον" είναι το όζον των κατώτερων στρωμάτων της τροπόσφαιρας, το όζον που βρίσκεται στον αέρα στον οποίο βρισκόμαστε, αναπνέουμε και ζούμε. Πέραν της τοξικότητας του ίδιου του όζοντος και της αργής σε ρυθμό, αλλά συνεχούς καταστρεπτικής δράσης σε διάφορα υλικά, το όζον είναι δευτερογενής ρύπος, προερχόμενος κυρίως από τα οξείδια του αζώτου, τα οποία εμπλέκονται σε ένα καταλυτικό κύκλο. Αύξηση των επιπέδων του "κακού όζοντος" είναι αποτέλεσμα συνδυασμού καιρικών συνθηκών και ανθρωπίνων δραστηριοτήτων.

 Η παρατηρούμενη όμως σταδιακή αύξηση της ρύπανσης της ατμόσφαιρας και η παραγωγή οξειδίων του αζώτου συντηρεί τον κύκλο αντιδράσεων του όζοντος, για παράδειγμα NO_χ (οξείδια του αζώτου), με αποτέλεσμα την μεταφορά φορτίων, τα οποία, επειδή βρίσκονται σε ενυδατωμένο περιβάλλον, ενισχύουν τις εκκενώσεις. Βέβαια, στο επιστημονικό επίπεδο οι απόψεις διχάζονται, καθώς κάποιοι υποστηρίζουν ότι το αποτέλεσμα των κεραυνών οφείλεται στα NO_x, ενώ άλλοι ισχυρίζονται ότι η υψηλή συγκέντρωση των NO_x είναι το αίτιο δημιουργίας εντονότερων ηλεκτρικών εκκενώσεων, κυρίως κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού, δεδομένου ότι παράγουν περισσότερο όζον.

 

Βιβλιογραφία

Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, «Μελέτη αντικεραυνικής προστασίας πλοίων. Επίδραση της ατμόσφαιρας», Διπλωματική Εργασία Ευθυμίου Αλεξάνδρου Β. Βλαχοκώστα.

Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, «Κεραυνοπληξία πλοίου: Πειραματική διερεύνηση, μέσω δοκιμών σε μοντέλα υπό κλίμακα», Διπλωματική Εργασία Ανδρέα Χ. Αλεξάνδρου.

¨Η χημική ένωση του μήνα¨ [Ιούλιος 2009], Θανάσης Βαλαβανίδης – Κωνσταντίνος Ευσταθίου.