Βασικές αρχές της Μετεωρολογίας: Καταιγίδα – Κεραυνός – Αστραπή

Η καταιγίδα (Thunderstorm), είναι μια σειρά από ξαφνικές ηλεκτρικές εκκενώσεις με κύρια χαρακτηριστικά τους, τη ραγδαία βροχή ή το χαλάζι, τους ισχυρούς ανέμους, τις βροντές και τις αστραπές.

• Οι καταιγίδες σχετίζονται με τα νέφη κατακόρυφης ανάπτυξης (convective clouds) όπως τους σωρειτομελανίες (Cumulonimbus link clouds) και συνοδεύονται από ραγδαίες βροχές.

• Για να δημιουργηθεί μια καταιγίδα πρέπει να εκπληρωθούν 3 προϋποθέσεις:

1. Υγρασία

2. Ασταθής ατμόσφαιρα- δηλαδή όταν υπάρχει θερμός αέρας κάτω από πολύ πιο ψυχρό αέρα-

3. Ανυψωτική δύναμη (θερμότητα)καταιγίδες αναπτύσσονται όταν η ατμόσφαιρα είναι ασταθής

Στάδια καταιγίδας

Μια καταιγίδα εξελίσσεται σε 3 διαφορετικά στάδια:

Το στάδιο του σωρείτη ή στάδιο ανάπτυξης, το στάδιο της ωρίμανσης και το στάδιο της διάλυσης.

• Στάδιο σωρείτη ή ανάπτυξης (cumulus stage)

Σε αυτό το στάδιο λόγω της αστάθειας του αέρα, δημιουργείται ένα ισχυρό ανοδικό ρεύμα (updraft), ο θερμός αέρας ανέρχεται κατακόρυφα και εξελίσσεται σε σωρείτη. Καθώς ο θερμός αέρας ανέρχεται, ψύχεται και συμπυκνώνεται σχηματίζοντας μικρές σταγόνες νερού. Τα σταγονίδια παρασύρονται από το ανοδικό ρεύμα, συγκρούονται μεταξύ τους δημιουργώντας μεγαλύτερες σταγόνες που όταν γίνουν αρκετά μεγάλες, πέφτουν στο έδαφος.

• Στάδιο ωρίμανσης (mature stage)

Σε αυτό το στάδιο το νεφικό σύστημα εκτείνεται περισσότερο στην ατμόσφαιρα και ο σωρείτης μετατρέπεται σε cumulonimbus(Cb) μέσα σε λιγότερο από μία ώρα. Το νέφος μπορεί να φτάσει σε ύψος 12 Km στα μέσα πλάτη και τα 18 Km στον Ισημερινό. Τότε η κορυφή του Cb εισχωρεί στην στρατόσφαιρα και σχηματίζει το χαρακτηριστικό άκμονα (anvil top) που έχει την κατεύθυνση προς την οποία κινείται η καταιγίδα.  Εξαιτίας του εκτεταμένου νεφικού συστήματος, τα σταγονίδια παγώνουν και σχηματίζουν παγοκρυστάλλους που τελικά πέφτουν στο έδαφος με τη μορφή όμβρου (showers) ή χαλαζιού. Έτσι σχηματίζεται παράλληλα με το ανοδικό ρεύμα και ένα καθοδικό που όμως έχει μικρότερη ταχύτητα από αυτή του ανοδικού. Η καταιγίδα στο στάδιο της ωρίμανσης συνοδεύεται από ηλεκτρικές εκκενώσεις (αστραπές).

• Στάδιο διάλυσης (dissipating stage)

Στο στάδιο αυτό το ανοδικό ρεύμα εξασθενεί και έτσι επικρατεί το καθοδικό ρεύμα. Η κορυφή του νέφους σιγά-σιγά διαλύεται και η ένταση της βροχής ελαττώνεται μέχρι που σταματά.

Που εμφανίζονται οι καταιγίδες;

Οι καταιγίδες είναι συχνές στη γη. Έχει υπολογιστεί ότι ένας κεραυνός χτυπά την επιφάνεια της γης περίπου 44 φορές το λεπτό, δηλαδή συνολικά 1,4 δισεκατομμύρια χτυπήματα κεραυνών το χρόνο.

Οι καταιγίδες δημιουργούνται εξαιτίας της υπερθέρμανσης του εδάφους και έτσι είναι πιο συχνές στις περιοχές που ο καιρός είναι πολύ θερμός και υγρός. Συνεπώς είναι πιο συχνές στη στεριά  από ότι στους ωκεανούς αλλά και πιο συχνές στις τροπικές περιοχές από ότι τα υψηλά πλάτη.

Αστραπή- Κεραυνός (Lightning)

Αστραπή είναι ο τεράστιος ηλεκτρικός σπινθήρας που μπορεί να δημιουργηθεί ανάμεσα σε δύο διαφορετικά νέφη ή μεταξύ δύο τμημάτων του ίδιου νέφους ή ανάμεσα στο νέφος και το έδαφος (οπότε σε αυτή την περίπτωση ονομάζεται κεραυνός). Η μεγαλύτερη ηλεκτρική δραστηριότητα σε ένα νέφος συμβαίνει κοντά στο επίπεδο παγοποίησης (freezing level), δηλαδή στους 0° C. Ο δυνατός ήχος που συνοδεύει μια αστραπή ονομάζεται βροντή και πάντα ακούγεται αργότερα καθώς ο ήχος τρέχει με 340 μέτρα το δευτερόλεπτο, ενώ το φως με 300.000 χλμ. το δευτερόλεπτο.

Πώς δημιουργείται η αστραπή;

Η αστραπή δημιουργείται εξαιτίας των αντίθετα ηλεκτρικά φορτισμένων περιοχών είτε
•    μέσα στο ίδιο το νέφος (intracloud Lightning) είτε
•    μεταξύ δύο νεφών (cloud to cloud Lightning) ή
•    μεταξύ νέφους και εδάφους –κεραυνός- (cloud to ground Lightning).

Στην πρώτη περίπτωση, που είναι και η πιο συνηθισμένη, η ηλεκτρική εκκένωση συμβαίνει μέσα στο ίδιο καταιγιδοφόρο νέφος- cumulonimbus cloud Cb-. Οι παγοκρύσταλλοι που είναι ελαφρύτεροι τείνουν να ανεβαίνουν στην κορυφή του Cb φορτίζονται θετικά ενώ οι βαρύτεροι κρύσταλλοι και το χαλάζι κατέρχονται στη βάση του νέφους και φορτίζονται αρνητικά. Έτσι σχηματίζεται ένας γιγάντιος ηλεκτρικός σπινθήρας ανάμεσα στα δύο φορτία μέσα στο νέφος.

Στη δεύτερη περίπτωση, που είναι πιο σπάνια,  εάν υπάρχει και άλλο καταιγιδοφόρο νέφος τότε μπορεί να δημιουργηθεί αστραπή μεταξύ των δύο νεφών. Αυτό συνήθως συμβαίνει σε ένα σύμπλεγμα κοντινών καταιγίδων (cluster of closely-spaced storms).

Τέλος, στην τρίτη περίπτωση το έδαφος που είναι θετικά φορτισμένο έλκεται από το αρνητικό φορτίο που βρίσκεται στη βάση του νέφους, δημιουργώντας μια ηλεκτρική εκκένωση μεταξύ νέφους και εδάφους, που είναι μεγαλύτερη στα δέντρα ή τα ψηλά κτήρια.

Πηγή: faragauss.com

Σχήμα 1. Αστραπή μεταξύ νέφους και εδάφους- ΚΕΡΑΥΝΟΣ

Η ηλεκτρική εκκένωση μεταξύ του νέφους και του εδάφους ξεκινάει από ένα αρνητικά φορτισμένο αγωγό καθόδου που ονομάζεται stepped leader, επειδή ο ηλεκτρισμός μεταδίδεται σε διαφορετικά βήματα και σχηματίζει διακλαδώσεις. Αυτές δεν φαίνονται με γυμνό μάτι εξαιτίας της μεγάλης ταχύτητας της μετάδοσης. Καθώς τα αρνητικά φορτία από τη βάση του νέφους έλκονται από τα θετικά φορτία του εδάφους, αναπτύσσεται  ένα ηλεκτρικό πεδίο που επιστρέφει το χτύπημα προς το νέφος (the return stroke) μέσω της stepped leader, δημιουργώντας ένα σπινθήρα, δηλαδή τον κεραυνό.

Ενδιαφέροντα σημεία για τους κεραυνούς

• Η διάρκεια μιας αστραπής είναι μικρότερη από ένα δευτερόλεπτο

• Η αστραπή είναι περίπου 5 φορές πιο θερμή από την επιφάνεια του ήλιου και φτάνει τους 30.000 ֯ C.

• Η λίμνη της Βενεζουέλας Maracaibo δέχεται ένα χτύπημα κεραυνού στις 297 μέρες από τις 365 που διαρκεί ένα έτος και έχει μπει στο βιβλίο των ρεκόρ Guinness σαν ένα από τα πιο καυτά σημεία για πτώσεις κεραυνών