PRINCIP FUNKCIONISANJA MUNJA
Munje su jedna od najlepših pojava u prirodi. Takođe, to je jedan od najsmrtonosnijih fenomena poznatih čoveku, koji dolazi direktno iz prirode. Sa temperaturama većim od onih na površini sunca i elektromagnetskim talasima koji se iznenadno šire svuda uokolo, munja je lep predmet izučavanja svih fizikalnih podnauka.
Van sve njene lepote kao prirodne pojave, munja neumitno kroz istoriju pobuđuje jedno od misterioznih pitanja – kako ona uopšte funkcioniše? Opšte je poznato da munja nastaje u olujnim sistemima velikog naelektrisanja, ali metod naelektrisanja oblaka još uvek lukavo izbegava odgovore.
---Kretanje vode---
Jedan aspekt munje koji nije misteriozan, jeste kretanje vode. Da bismo u potpunosti razumeli kako kretanje vode funkcioniše, prvo moramo razumeti principe isparavanja i kondenzacije:
-Isparavanje - je proces u kojem tečnost apsorbuje toplotu i pretvara se u paru. Dobar primer jeste i bara vode nakon kiše. Zašto se barica uopšte suši? Voda u bari apsorbuje toplotu sunca i okoline i oslobađa se u vazduh kao vodena para. „Oslobađanje“ vode je dobar izraz, kada se govori o isparavanju. Jer kada se voda izloži zagrevanju, njeni molekuli počinju brže da se kreću. Neki od molekula mogu se kretati brzinama dovoljnim da pobegnu površini tečnosti i ponesu toplotu sa sobom u vazduh. Jednom oslobođen, molekul nastavlja da se penje prema višim slojevima atmosfere.
-Kondenzacija - proces u kojem tečnost gubi temperaturu i prelazi u tečno stanje. Kada god dolazi do promene temperature, ona se kreće od viših ka nižim temperaturnim nivoima. Frižider koristi ovaj princip kako bi ohladio hranu i piće koje koristimo. On pruža nisko temperaturnu okolinu, koja apsorbuje toplotu iz onoga što u njega stavimo i odvaja tu toplotu u onome što je pozato kao ciklus hladnjaka. Na sličan način i funkcioniše i atmosfera, kao ogroman frižider za gasove i paru. Kako se gas ii para podižu, temperatura u okolnom vazduhu postaje sve niža i niža. Uskoro para, koja je nosila toplotu sa svog izvora, počinje da gubi svoju toplotu u okolni vazduh. Kako se penje u više slojeve atmosfere sa nižom temperaturom, čestice gube na toploti toliko da se kondenzuju i pretvaraju u paru koja ponovo pada na zemlju.
Pokušajmo sada da primenim ovaj koncept i na kretanje vode. Voda na zemlji apsorbuje toplotu sunca i okoline. Kada se dovoljno zagreje, molekuli dovoljne brzine izlaze iz tečnosti u vazduh kao para. Kako se para penje više i više, temperatura okolnog vazduha postaje sve niža i niža. Napokon, para dostiže toliko niske temperature, da se ponovo pretvara u tečnost. Zemljino gravitaciono privlačenje tada utiče na privlačenje teških čestica vodene pare kako bi pale na zemlju i time završile svoj ciklus. Trebalo bi napomenuti i to, da ako su temperature dovoljno niske, vodena para se kondenzuje i smrzava u snežne pahulje ili susnežicu. Opet, gravitacija će biti odgovorna za njihovo privlačenje prema zemlji.
---Velika misterija---
U oluji, olujni oblaci su naelektrisani poput velikog kondenzatora na nebu. Gornja površina oblaka je pozitivno naelektrisana, dok je donja negativna. Kako oblak akumulira ovo naelektrisanje, još uvek nije potpuno objašnjeno u nauci, ali sledeće objašnjenje pruža zadovoljavajuć odgovor.
U procesu kretanja vode, vlaga se prirodno, akumulira u atmosferi. Ova akumulacija je ono što vidimo kao oblak. Oblak može sadržati milione i milione vodenih kapljica ili ledenih pahulja u vazduhu. Kako se kondenzacija nastavlja, mnoštvo ovih čestica, krećući se kroz strujanja vazduha, susreće se sa drugim česticama velikom brzinom, te nastaju sudari čestica jednih sa drugima. Važnost ovih sudara je u tome da se na osnovu njih, u sudaru naglo izbacuju elektroni iz rastuće vlažnosti stvarajući razliku potencijala.
Tako oslobođeni elektroni skupljaju se u donjem delu oblaka, stvarajući negativan naboj. Rastuća vlaga koja je upravo izgubila elektrone, nosi pozitivno naelektrisanje na njegov vrh. Pored ovih kolizija, smrzavanje igra značajnu ulogu. Kako rastuća vlaga nailazi na niže temperature u gornjim delovima oblaka i počinje se smrzavati, smrznuti delovi postaju negativno naelektrisani, a nezamrznuti delovi postaju pozitivni. U ovom trenutku, rastući vazdušni napon ima mogućnost pomeranja čestica naelektrisanih pozitivno, i on ih nosi u gornji deo oblaka. Ostatak smrznutih delića prelazi u niži deo oblaka ili pada na zemlju. Kombinacijom smrzavanja i kolizija, postaje jasno kako oblak stvara razliku električnog potencijala, dovoljnog za stvaranje munje i groma.
---Električno polje---
Gde god postoji razlika potencijala u oblaku, postoji takođe i električno polje koje je usko povezano sa deljenjem naelektrisanja. Kao i oblak, ovo polje je negativno u nižim delovima i pozitivno u gornjim delovima atmosfere. Intenzitet električnog polja je direktno povezan sa nivoom naelektrisanja oblaka. Kako se sudari i smrzavanje nastavljaju i naboji na vrhu i dnu oblaka nastave da se penju, električno polje postaje sve intenzivnije. Ustvari, postaje toliko intenzivno, da su elektroni na zemljinoj površini odbijani dublje u zemlju, jakim negativnim naelektrisanjem na donjem delu oblaka. Ovo odbijanje elektrona izaziva privlačenje pozitivnog naboja prema zemljinoj površini. Sve što je sada potrebno, jeste ostvariti provodljivu liniju vazduha za donji deo oblaka, kako bi se povezao sa površinom zemlje. Jako električno polje, stvara ovu liniju najbolje provodljivosti, nakon svog naglog porasta u izvesnom trenutku.
---Praćenje naponskih vodilja---
Prethodna objašnjenja se mogu jasno videti eksperimentalno u radu sa Teslinim kalemom. Ovo je definitivno najbezbedniji način igranja sa visokim naponom i može pružiti sate zadovoljstva u simuliranju munje i groma.
Slike u laboratoriji autora. Desno oblak, levo zemlja.
Jako električno polje utiče da vazduh oko oblaka naglo „eksplodira“, dozvoljavajući naponu da uđe u njega i izjednači razliku potencijala. Prosto rečeno, eksplodirajuć vazduh stvara provodljivu liniju vazduha koja kratko spaja zemlju i oblak, isto kao da smo ih povezali ogromnom žicom. A evo kako ove nagle eksplozije vazduha nastaju.
Kada električno polje postane dovoljno jako (reda veličine, nekoliko desetina hiljada volta po centimetru), stvaraju se uslovi za probijanje vazduha i njegovo pretvaranje u konduktivnu masu za prestojeći električni luk. Električno polje utiče da se vazduh podeli na pozitivne jone i elektrone; vazduh je „jonizovan“. Ovde moramo voditi računa o tome da jonizacija vazduha ne znači da postoji više negativnog naelektrisanja (elektrona) ili pozitivnog naelektrisanja (pozitivnog atomskog nukleusa – pozitivnih jona), nego pre toga. Jonizacija jednostavno znači da su elektroni i pozitivni joni sada udaljeniji nego što su bili u svojim originalnim molekularnim ili atomskim strukturama. U osnovi, elektroni su odvučeni iz molekularne strukture ne-jonizovanog vazduha. Važnost ovih razdvajanja/cepanja jeste da se elektroni sada kreću ni slobodnije, ni lakše nego pre razdvajanja. Ovaj jonizovan vazduh (poznatiji kao plazma), je daleko provodljiviji nego prethodno opisani ne-jonizovani vazduh. Posledično tome, sposobnost ili sloboda elektrona da se kreću, jeste upravo ono što čini određene materijale dobrim provodnicima.
Ovi elektroni imaju izvrsnu manevrabilnost i agilnost u vazduhu, naročito u jakom električnom polju, dozvoljavajući dalje kretanje elektriciteta putem koji stvaraju. Jonizacija gasa stvara plazmu provodljivih osobina, sličnu onoj na metalu. Plazma je alat prirode koji ona koristi kako bi neutralizovala separaciju u električnom polju i dovela do ravnoteže. Oni čitaoci koji su upoznati sa hemijskim reakcijama vatre, setiće se da kiseonik igra značajnu ulogu u sagorevanju. Oksidacija je proces pri kojem atom ili molekul gubi svoj elektron, kada se kombinuje sa kiseonikom. Jednostavno, atom ili molekul je naelektrisan niskim pozitivnim potencijalom, na visok pozitivni potencijal. Veoma interesantno, proces jonizacije, koji stvara plazmu, se takođe događa kroz gubitak elektrona (kako je gore objašnjeno). Tako, možemo gledati na jonizacioni proces kao na sagorevanje vazduha u liniji kroz koju će proći munja, slično kao što kopamo tunel da bi voz kroz njega kasnije mogao proći.
Jednom kada jonizacioni proces počne i formira se plazma, ovaj „put“ za munju ne stvara se odmah. Ustvari, postoji mnogo ovakvih jonizovanih pravaca između oblaka i zemlje. Ovi pravci su poznatiji kao „naponske vodilje“ (autorov opis). Naponske vodilje propagiraju prema zemlji u fazama, koje ne moraju usloviti ravnu provodljivu liniju prema zemlji. Moguće je da se vazduh ne jonizuje jednako u svim pravcima. Prašina i nečistoće prisutne u vazduhu, mogu usloviti proboj vazduha daleko lakše u određenom smeru, davajući bolje šanse naponskim vodiljama da na tom mestu brže dođu do zemlje i tako načine put kojim će se kretati munja. Takođe, oblik električnog polja može značajno usloviti promenu jonizujućeg pravca. Oblik zavisi od mesta naelektrisanih čestica, koje su u ovom slučaju u dnu oblaka i zemljinoj površini. Ako je oblak paralelan zemljinoj površini, a površina dovoljno mala da zakrivljenost zemlje postane beznačajna, naelektrisanje između oblaka i zemlje ponašaće se isto kao naelektrisanje između dve metalne ploče. Linije elektrčne sile (električni fluks), generisane razdvajanjem naboja, biće vertikalne prema zemlji i oblaku. Linije fluksa uvek su vertikalne sa naelektrisanog objekta, pre no što se počnu kretati prema svom cilju (mestu suprotnog naelektrisanja). Uzimajući sve ovo u obzir, možemo reći da ako donja površina oblaka nije pravilna, linije fluksa neće biti uniformne. Nedostatak pravilnosti u linijama, može izazvati kretanje naponske vodilje potpuno nepravilno i ne pravolinijski prema zemlji, pri čemu vidimo munju koja je prilično krivudava.
Uzimajući u obzir ove mogućnosti, postaje očigledno da postoji bezbroj faktora koji određuju kretanje naponske vodilje. Učeni smo da je najkraći put između dve tačke upravo prava linija. Međutim, u slučaju električnog polja, linije sile (fluks), neće se uvek kretati najkraćom putanjom kao najpravilnijom. Razdaljina ne predstavlja uvek put najmanjeg otpora.
Dakle, sada imamo naelektrisan oblak sa rastućim naponskim vodiljama koje štrče prema zemlji u fazama. Ove vodilje su slaba purpurna svetla i mogu razviti na svom putu druge vodilje u oblastima gde su originalne vodilje zakrivljene ili savijene. Kada jednom nastane, vodilja će nastaviti da se održava sve dok napon protiče, bez obzira da li je u pitanju vodilja koja dostiže zemljinu površinu prva. Vodilja, uopšteno, ima dve mogućnosti: da nastavi da raste u fazama rastuće plazme, ili da sačeka strpljivo u stanju trenutne plazme, sve dok neka druga vodilja ne pogodi cilj. Vodilja koja se spaja sa zemljom otvara provodljiv put između oblaka i zemlje. Vodilja nije munja. Ona jednostavno mapira kurs koji će munja slediti. Nastaje grom, koji je iznenadan, ogroman električni naboj između oblaka i zemlje i uvek je završetak ciklusa koji smo objasnili.
---Prema nebu---
Treba uzeti u obzir i šta se dešava sa površinom zemlje i objektima na njoj. Kako se vodilja približava zemljinoj površini, objekti na njenoj površini počinju da odgovaraju na snažno naelektrisanje. Objakti se pružaju prema nebu, u obliku pozitivnih strujnica. Ove strujnice su takođe purpurne i pojavljuju se na kupastim i šiljatim objektima na zemlji. Ljudsko telo takođe proizvodi ove negativne strujnice kada se nalazi u ovako snažnom električnom polju. Ustvari, sve što se u tim trenucima nalazi na zemljinoj površini, ima tendenciju da prema nebu pošalje pozitivnu strujnicu. Jednom generisana, strujnica ne raste prema nebu. Spajanje između oblaka i tog objekta je posao vodilja kako se kreću u fazama prema zemlji. Strujnice pažljivo čekaju, pružajući se prema oblaku, kako se naponska vodilja približava (obično trenuci pre no što munja pogodi objekat).
---Kolizija---
Sledeće što se događa je susret vodilje i strujnice. Kao što je rečeno ranije, strujnica koju pogađa vodilja, ne mora biti najbliža strujnica. Veoma je uoičajeno za munju da pogodi tlo, iako je pored mesta na koje je preskočila varnica, drvo ili neki drugi višlji objekat. Činjenica da vodilja ne sledi najbližu putanju, jeste razlog zašto se ovo događa. Nakon što se vodilja i strujnica susretnu, jonizovani vazduh (plazma) završava svoj put prema zemlji, ostavljajući za sobom provodljivi put od oblaka do zemlje. Nakon što je ovaj put ostvaren, dolazi do protoka elektrona između oblaka i zemlje. Na ovaj način, priroda nastoji da održi ravnotežu, neutralizujući naponsku razliku.
---Ekspodirajuć vazduh---
Gde god postoji električno pražnjenje, postoji i toplota povezana sa njim. Obzirom da u električnom pražnjenju između oblaka i zemlje postoji ogromno električno pražnjenje, zaključujemo da postaje i ogromno toplotna energija. Ustvari, sama munja je toplija od površine sunca. Toplota je odgovorna za blještav purpurni odsjaj varnice koju vidimo. Kada se vodilja i strujnica susretnu i kada započne kretanje elektrona, vazduh oko munje postane vreo. Toliko vreo, da on ustvari eksplodira, zato što toplota čini da se vazduh širi veoma brzo. Bljesak ubrzo prati i snažna buka koja je promenljiva, jer se odbija od slojeva atmosfere.
Kada se vazduh zagreje, brzo se širi stvarajući kompresioni talas koji dalje propagira kroz okolni vazduh. Kompresioni talas se manifestuje u obliku zvučnog talasa. Ovo naravno ne znači da je munja bezopasna. Upravo suprotno, ako smo dovoljno blizu, možemo osetiti taj talas koji uznemiruje okolinu. Treba imati u vidu da kada dođe do nuklearne eksplozije, najveća razaranja nastaju upravo zbog ovog talasa i njegove energije. Talas vazduha koji nastaje gromom može veoma lako oštetiti objekte ili dovesti do smrti živih bića. Opasnost je veća što smo bliže udarcu munje.
---Višestruka pražnjenja---
Zamislimo da sedimo u automobilu i posmatramo udarce munja oko nas. Prvo što ćemo primetiti ako udari pored nas, jeste da se on grana na više strana. Sledeće što ćemo primetiti, jeste da je osnova munje zatreperila nekoliko puta. Grananje koje možemo primetiti, jesu vodilje koje su spojene sa vodiljom koja je uslovila pražnjenje. Kada dođe do prvog pražnjenja, napon se kreće u nastojanju da neutralizuje naponsku razliku. Da bi se ovo ostvarilo, potrebno je da napon, sjedinjen sa energijom u drugim vodiljama, takođe protekne prema zemlji. Elektroni u drugim vodiljama slobodni u kretanju, kreću se kroz vodilju u liniju kroz koju je prošla munja. Nakon što je nastala prva munja, ona je obično praćena sa čitavom serijom sekundarnih munja koje prolaze isti put. Ostale vodilje ne igraju ulogu u ovim serijskim pražnjenjima. Neretko se dešava da je prva munja propraćena sa 30 do 40 istih. U zavisnosti od vremenske razlike između dva pražnjenja, možemo zaključiti da smo videli jednu munju koja traje relativno dugo vremena. Naavno, nemoguće je golim okom videti broj pražnjenja, jer u trenutku kada nastane sledeći, svetlost prethodne još nije ugašena.
Sada znamo princip nastajanja munje. Neverovatno je kada shvatimo da se sva događanja, od početka jonizacije do pražnjenja, nastaju u deliću sekunde. Istraživanja u blizini Teslinog kalema omogućavaju simuliranje ovih situacija i posmatranje iz neposredne blizine u zamračenoj prostoriji. Kako približavamo prste terminalu Teslinog kalema, primećujemo kako se iz njih širi purpurna svetlost i sitne varnice, slične onim koje se spajaju sa vodiljom pozitivnog naboja.
---Vrste pražnjenja---
1. Sa oblaka na zemlju - gore objašnjeno
2. Sa zemlje na oblak - isto kao sa oblaka na zemlju, sa izuzetkom da visoko izdignuti objekti na zemlji iniciraju munju.
3. Sa oblaka na oblak – Isti principi kao kod prethodna dve vrste, stim što munja preskače sa jednog oblaka na drugi.
---Tipovi munje---
1. Normalna munja – gore objašnjena
2. Površinska munja – normalna munja koja je nastala reflektovanjem od oblaka
3. Toplotna munja – normalna munja blizu horizonta koja je reflektovana od višljih oblaka
4. Loptasta munja – fenomen gde munja generiše loptu koja se sporo kreće i može zapaliti objekte na koje naiđe, pre no što i sama nestane
5. Crvene munje – crvena pražnjenja, koja se vide iznad olujnih oblaka i kreću se prema stratosferi
6. Plazi mlaz – plavo, konusno pražnjenje, koje se može videti iznd centra olujnog oblaka i koji se kreće prema stratosferi.
Loptaste munje u kontrolisanim uslovima.
Na kraju, dobar običaj nalaže autoru, da kaže par reči zahvalnosti prirodi na upotpunjenju ovako divnih mehanizama kojima imamo zadovoljstvo da se posvetimo. Ali ja bih umesto toga dodao i jedno obećanje našoj prirodi, da ćemo ubuduće pratiti sve nove pojave sa istim interesovanjem i oslobađati ih i iznositi na svetlost dana kao otkrivanje novih činjenica koje će nam zasenjivati dušu svojim predivnim fenomenima, ali i molbu, da nam kroz budućnost koja dolazi, ne prestaje priređivati nova i nova divna iznenađenja, bez kojih bi život dao malo šarma razmišljanju, u otkrivanju tih čudesnih manifestacija prirode.
Tema: Besede o funkcionisanju munja (Pročitano 8248 puta)