Κεραυνοί : Όλα όσα θα θέλατε να γνωρίζετε για αυτούς, αλλά πάντα φοβόσαστε να ρωτήσετε

1. Κεραυνοί: Όλα όσα θα θέλατε να γνωρίζετε για αυτούς, αλλά πάντα φοβόσαστε να ρωτήσετε Θεμιστοκλής Χρόνης Ελληνικό Κέντρο Θαλασσίων Ερευνών Μάρτιος 2009

2. Η όλη ιστορία ξεκινά με το εξής οξύμωρο: Μολονότι οι Αρχαίοι Έλληνες περιέγραφαν το ηλεκτρόνιο πριν απο 2000 χρονια, κατα τα λοιπά, ο κεαυνός ήταν θεόσταλτος...

3. Αλλά χάρη στο φίλο μας το Φραγκλίνο, οι άνθρωποι συνειδητοποίησαν πως ο κευραυνός ζέι μέσα σε σύννεφα, τα οποία συνήθως βρέχουν... Σύμφωνα με την ιστορία, ο Φραγκλίνος πλήρωσε έναν δεύτερο ξάδερφό του να πετάξει έναν αετό μέσα από ένα κατάμαυρο σύννεφο. Ο Φραγκλίνος πείστηκε πως ο κεραυνός φέρει ηλεκτρικό φορτίο αφ’ότου ένας κερευνός χτύπησε (και σκότωσε) τον δύσμοιρο ξαδερφό του. Αρα η γνωστή εικόνα του Φραγκλίνου να κρατάει τον αετό, δεμένο σε ένα μεταλλικό αντικείμενο, ειναι ΜΥΘΟΣ! Busted!!!

4. Μέσα στο σύννεφο, η βασική διεργασία που οδηγεί στην ηλεκτρική εκκένωση είναι ο διαχωρισμός των ηλεκτροστατικών φορτίων (+/-) . Οι φάσεις του νερού (υγρή/στερεή/αέρια) ανάλογα με τη θερμοκρασία λαμβάνουν και διαφορετικά φορτία. Η διεργασία αυτή αποτελεί ακόμα ένα απο τα μεγαλύτερα μυστήρια στην ατμοσφαιρική φυσική. Το αντίστοιχα παραγόμενο δυναμικό κάποια στιγμή ξεπερνά τα όρια αντοχής του αέρα. Όσο πιο πολύ νερό περιέχει ο αέρας (υγρή/στερεή/αέρια φάση) τόσο λιγότερο δυναμικό χρειάζεται να υπάρχει ώστε να δημιουργηθεί κεραυνός. Με άλλα λόγια, ο κερεαυνός δεν είναι τίποτε άλλο από την «κατάρρευση>> της διηλεκτρικής αντίστασης του αέρα (V/m).

6. Lightning 101: • Ενέργεια που απελευθερώνεται από έναν κεραυνό ισοδυναμεί περίπου με 109joule. • Η θερμοκρασία του αέρα γύρω απο το κεραυνικό κανάλιείναι σχεδόν διπλή απο αυτή της επιφάνειας του Ήλιου (15,000 βαθμοί κελσίου). • Σαν να μην έφτανε μόνο αυτό, τον κεραυνό συνοδεύουν ~30 εκατομμύρια Voltsκαι 20,000 amps. Και αν διερωτάστε που πάει όλη αυτή η ενέργεια...? • Όλα γίνονται μέσα σε <1 ms, και ουσιασυικά το μόνο χειροπιαστό είναι το λεγόμενο <μπουμπουνητό>, απλά ένα (πρών υπερηχητικό) ακουστικό κύμα... • Η ήπειροι έχουν σχεδόν την παγκόσμια αποκλειστικότητα σε κεραυνική δραστηρότητα. Πιο ψηλά σύννεφα, πιιο έντονη θέρμανση. • Η Αφρικανική ήπειρος είναι η βασίλισσα των κεραυνών. Η Νότια Αμερική έρχεται δεύτερη και η νότιο-ανατολική Ασία τρίτη.

7. Lightning 101 (cont’d): • Θα υπήρχε ζωή χωρίς κεραυνούς?Το άζωτο είναι το βασικό συστατικό της κατώτερης ατμόσφσιρας. Ειναι αέριο που κάτω απο Κ.Σ δεν αντιδρά. Ταυτόχρονα είναι το βασικό συστατκό των αμινοξέων οπότε και της ίδιας της ζωής. Ο πιο άμεσος τρόπος να διασπαστεί το ατμοσφαιρκό άζωτο είναι μέσω της θερμότητας που εκλύεται απο τους κεραυνούς. • Κεραυνός δεν σημαίανει απαραίτητα βροχή. Χαρακτηριστικές περιπτώσεις α) κεραυνοί που σχετίζοναι με εκρήξεις ηφαιστείων και β) οι λεγόμενες «ξηρές καταιγίδες>>, οι οποίες προκαλούν και πολλές φωτίες σε περιοχές όπως Ινδονησία, Αυστραλία και ΗΠΑ. • Είναι αλήθεια πως ο κεραυνός δεν χτυπάει στο ίδιο σημείο δυο φορές? Μια απλή αναζήτηση στο Google θα σας παι οτι «Ένα περίπου τετραγωνικό μέτρο σε ένα σημείο πάνω στη Γη δέχεται ένα χτύπημα κεαυνού ανά περίπου 100 χιλιετίες>>. Ισχύει??? (η απάντηση στο τέλος της παρουσίασης...)

8. Ο κεραυνός είναι μια από τις ελάχιστες φυσικές παραμέτρους (πιθανώς η μοναδική) η οποία μπορεί να εντοπιστεί να να ποσοτικοποιηθεί κάθε ένα δευτερόλεπτο, σε οποιοδήποτε σημείο του κόσμου. Η βασική θεωρία εντοπισμού είναι εξαιρετικά απλή που ακόμη και ένας μαθητής του δημοτικού θα μπορούσε να την εφαρμόσει. Δοκιμάστε το παρακάτω: Γυρίστε το ραδιόφωνό σας στα ΑΜ, μια βροχερή μέρα του καλοκαιριού. Μερικά ms πριν από τον κεραυνό, ακούμε ένα συριστικό χαρακτηριστικό ήχο... • Η λύση όμως της (1), στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα, μπορεί να είναι τόσο ακριβής, όσο και η παραμετροποίηση της...(Lee, 1981; Koshak and Solakiewicz, 1996) Δ t3 Δt2 Δ t1

9.          

10. Το 2003, το δίκτυο Δίας γίνεται το πρώτο δίκτυο ανίχνευσης κεραυνών στο κόσμο που έχει την δυνατότητα να εντοπίζει κευρανική δραστηριότητα πάνω απο την Αφρική, τον Ατλαντικό, την Ευρώπη κσι την Νότια Αμερική (2006). Για πρώτη φορά η επιστημονική κοινότητα βλέπει την κεραυνική δραστηριότητα μέσα σε τροπικούς κυκλώνες να εξελίσσεται ανα 5 λεπτά καθώς και αυτή να συνδέεται με τα στάδια εξέλιξής τους. Chronis et al., 2007 Chronis et al., 2003

11. Το Δεκέμβρη του 1997, ο κεραυνός γίνεται από τα πλέον καυτά επιστημονικά θέματα καθώς ο δυροφόρος Tropical Rainfall Measuring Mission-TRMM, μαζί με το πρωτοποριακό ραντάρ της NASA, φέρει και τον πρώτο όργανο το οποίο καταγράφει κεραυνούς (ορατό/υπέρυθρο φάσμα) . Η έρευνα βασισμένη πάνω στην πληροφορία των κεραυνών επεκτείνεται πάνω σε τελείως διαφορετικούς τομείς. Πχ: • Α) ENSO και άλλα πλανητικά φαινόμενα (Rossby waves, Madden Julian Oscillation) • Β)Παγκόσμια θερμοκρασία Γ) Ατμοσφαιρική χημεία Δ) Υδρολογία και πρόγνωση καιρού Ε) Τυφώνες (...παρότι οι τυφώνες στην πλειονότητά τους ΔΕΝ παρουσιάζουν κεραυνική δραστηριότητα. Παράδοξο?) ΣΤ) Παραγωγή γήινων Ακτίνων Γ, σprites/Elves Ι) Ζώνες Van Allen

12. LA – January 1999 (cold ENSO) LA – January 2002 (neutral ENSO) LA – January 1998 (warm ENSO) Chronis et al., 2008

13. OMVRIOS algorithm (Chronis et al., 2004) C-band NEXRAD

14. Papadopoulos et al., 2005

15. Είναι αλήθεια πως ο κεραυνός δεν χτυπάει στο ίδιο σημείο δυο φορές? Για να δοθεί μια σωστή απάντηση πρέπει να προσδιορίσουμε τι εννοούμε με η λέξη ίδιο σημείο. Γιατί απλούστατα, τα συστήματα εντοπισμού κεραυνών έχουν ένα όριο στην χωρική ανάλυση μέσα στην οποία μπορούν να διακρίνουν τον κεραυνό (π.χ. 100 χλμ – 500 μέτρα, ανάλογα με την ηλεκτρομαγνητική συχνότητα). Οφείλουμε όμως να σημειώσουμε το εξής: Η χρήση ταχύτατων βίντεο έχει αποκαλύψει πως ο κεραυνός Π Ρ Ο Τ Ι Μ Α να ξανακτυπά μία περιοχή, μέσα σε μια ακτίνα 100-200 μέτρων... Η εξήγηση: θυμηθείτε πως ο κεραυνός προκαλείται όταν το δυναμικό μέσα στο σύννεφο υπερβεί την διηλεκτρική σταθερά του αέρα. Μέχρι να <αναδιοργανωθούν> τα μόρια της ατμόσφαιρας και βέβαια το δυναμικό στο σύννεφο είναι πάλι σε δράση, τότε ο κεραυνός θα ακολουθήσει την διαδρομή με την μικρότερη αντίσταση...

16. Σας ευχαριστώ image: courtesy of NASA. ISS over the Ionian Sea