Κεραυνός: ένα θεαματικό φυσικό φαινόμενο

         Το 1752 ο Βενιαμίν Φραγκλίνος κατάφερε να φτιάξει τον πρώτο τεχνητό κεραυνό και με αυτό τον τρόπο ξεκίνησε να ξετυλίγεται το κουβάρι της απομυθοποίησης αυτού του φαινομένου. Πώς το έκανε ακριβώς; Κατά τη διάρκεια μιας καταιγίδας, πέταξε έναν αετό από ύφασμα στον οποίο είχε δέσει ένα μεταλλικό κλειδί ούτως ώστε να έλκει το ηλεκτρικό φορτίο των νεφών (εικόνα 1). Μετά από περισσότερο από δύο αιώνες ο Αμερικανός φυσικός Τσαρλς Ουίλσον διατύπωσε τη Θεωρία του Ατμοσφαιρικού Ηλεκτρισμού η οποία επεξηγεί λεπτομερώς το φαινόμενο.
        Σύμφωνα μ' αυτή, η Γη και η ηλεκτρόσφαιρα -το κάτω τμήμα της ιονόσφαιρας, σε ύψος 50-60 χιλιομέτρων- είναι οι δύο αντίθετοι πόλοι ενός σφαιρικού πυκνωτή τους οποίους χωρίζει η ατμόσφαιρα (εικόνα 2). Το σύστημα ισορροπεί καθώς η διηλεκτρική αντοχή του αέρα λειτουργεί ως μονωτής, μην επιτρέποντας την εκδήλωση κεραυνών με αίθριο καιρό. Aν δημιουργηθούν καταιγιδοφόρα νέφη η κατάσταση φορτίζεται επικίνδυνα. Αυτά είναι στην ουσία τεράστιες μηχανές παραγωγής ηλεκτρικού φορτίου στο εσωτερικό των οποίων επικρατούν βίαια ρεύματα που μεταφέρουν φορτισμένες σταγόνες νερού και παγοκρυστάλλους. Σε πολύ μικρό χρόνο η διαφορά δυναμικού μεταξύ της βάσης του νέφους και του εδάφους φτάνει σε εκατομμύρια βολτ και ξεπερνά τη διηλεκτρική αντοχή της ατμόσφαιρας. Ακριβώς εκείνη τη στιγμή ξεσπά ο κεραυνός, όπως συμβαίνει με όλες τις ηλεκτρικές εκκενώσεις μεταξύ αντίθετων ηλεκτρικών πεδίων.
        Επομένως, όταν υπάρχουν οι συνθήκες που δημιουργούν καταιγίδα, όπως υγρασία στην ατμόσφαιρα πολλή θερμότητα, ο αέρας που στροβιλίζεται παρασύρει ιόντα από τα σύννεφα και από την επιφάνεια της γης ή της θάλασσας και έτσι δημιουργείτε συσσώρευση ηλεκτρικών φορτίων στα σύννεφα και φυσικά διαφορά δυναμικού μεταξύ των σύννεφων (συνήθως αρνητικά φορτισμένων) και της ξηράς ή της θάλασσας φορτισμένης θετικά.
        Στην ουσία έχουμε φόρτιση με επαγωγή. Ο αέρας που υπάρχει μεταξύ του σύννεφου και της θάλασσας είναι όπως γνωρίζουμε κακός αγωγός του ηλεκτρισμού και έτσι τα φορτία δεν μπορούν να κυκλοφορήσουν ώστε να εξουδετερωθούν, με αυτόν τον τρόπο η διαφορά δυναμικού συνεχώς αυξάνεται και παίρνει τιμές πάρα πολύ υψηλές, από 80 εκατομμύρια έως και 1 δισεκατομμύριο βολτ. Όταν λοιπόν η διαφορά δυναμικού λάβει τόσο υψηλές τιμές γίνεται διάτρηση του αέρα και δημιουργείται ηλεκτρικός σπινθήρας.
   
PictureΕικόνα 3: Δημιουργία κεραυνού
        Από το σύννεφο ξεκινά μια αρχική εκτόνωση η οποία λέγεται “εκτόνωση οδηγός” αόρατη, και προχωρεί με βήματα και ταχύτητα 100 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο προς την Γη. Από την γη ξεκινά μια εκτόνωση με αντίθετη πολικότητα που ονομάζεται "εκτόνωσης ανάκλησης". Την στιγμή που συναντιόνται οι δυο εκτονώσεις έχουμε τον κεραυνό (εικόνα 3). Το φαινόμενο διαρκεί μερικές δεκάδες ή και εκατοντάδες του μικροδευτερολέπτου. Λόγω του σπινθήρα, ο αέρας θερμαίνεται, η θερμοκρασία σε κλάσματα του δευτερολέπτου ξεπερνά κατά πολλές φορές εκείνη της επιφάνειας του Ήλιου, συμπιέζεται και ισχυρές μάζες του μετατοπίζονται. Η ισχυρή βροντή του κεραυνού δημιουργείτε από την διάσπαση του αέρα λόγω υψηλής θερμοκρασίας. Η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος μπορεί να φθάσει τα 200 000 Αμπέρ αν και το 85% των κεραυνών έχουν εντάσεις μικρότερες των 60 000 Αμπέρ η διάρκεια της εκκένωσης είναι της τάξης των δεκάδων μsec, και το μήκος του τόξου πολλές φορές φθάνει και τα 10 km.
        Δύο πολύ θεαματικές καταιγίδες που συνοδεύονταν με κεραυνούς έπληξαν στις 16 Ιανουαρίου του 2014 το Ρίο ντε Τζανέιρο της Βραζιλίας με αποτέλεσμα οι κεραυνοί να χτυπήσουν το γνωστό άγαλμα του Χριστού Λυτρωτή (εικόνα 4). Επίσης, η δεύτερη χτύπησε τον Πύργο του Άιφελ στο Παρίσι τον Ιούλιο του 2012 (εικόνα 5).