12.04.2011

„Pioruny wypadające w górę” – zagadkowe odkrycie Stanisława Staszica

Czy wśród setek studentów, pracowników, gości uczelni, przechodzących codzienne schodami obok figury Stanisława Staszica, znajdzie się jedna bodaj osoba kojarząca naszego patrona z dokonaniami w zakresie... fizyki pioruna? A jednak jest faktem, że Staszicowi przypisuje się zaobserwowanie tzw. „piorunów oddolnych" na - szacując zgrubnie - 125 lat przed ich „oficjalnym" odkryciem (Karl Boyer Mc Eachron, lata 30-te XX w.). Chociaż, w świetle aktualnej wiedzy, sprawa jest kontrowersyjna. Zacznijmy jednak od początku...


Foto: http://burze.dzis.net

Rys. 1. Fazy rozwoju pioruna rozpoznane na obrazie z szybkowirującej kamery

Rys. 2. Rozwój lidera (fot. 1-10) i wyładowania głównego (fot. 11-15); obraz lidera zostaje „przykryty" przez rozbłysk wyładowania głównego. Źródło: http://wsx.lanl.gov/images/lightzap.gif

Rys. 3. Ogień św. Elma w bardzo wyrazistej postaci. Żródło: http://www.stormtrack.org

Rys. 4. Ognie św. Elma na masztach żaglowca. Źródło: Wikipedia

Profesor Stanisław Szpor (najwybitniejszy polski badacz wyładowań atmosferycznych) przygotowując się w latach 60-tych XX w. do badań narażenia piorunowego limby, sięgnął po wydane po raz pierwszy w 1815 roku dzieło Staszica O ziemiorództwie Karpatów i innych gór i równin Polski, rozprawa trzecia O Wołoszyni, o Pięciu Stawach i Oku Morskim (Szpor posługiwał się wydaniem z 1955 roku). Zwrócił uwagę na opis burzy w Tatrach:

 

„Ogarnieni przez tak straszne ciemno; deszcz lał wielki; a wyżej nad nami spadł śnieg znaczny, który do reszty zasypał wszystkie między skałami rozłupy i przepaści. Okolnie zaś, czuć drżienie skał, słychać nieprzyjemny huk, nieustanne błyskanie i piorunów bicie. Tych zdawało się więcej ostrzem skał wypadać w gorę, niźieli z gory uderzać w skały". 


Sensację upatrywał Szpor w ostatnim zdaniu: Tych zdawało się więcej ostrzem skał wypadać w gorę, niźieli z gory uderzać w skały. Wywnioskował, że Staszic spostrzegł pioruny oddolne i odróżnił od typowych wyładowań odgórnych, zlokalizował je (ostrzem skał wypadające) a nawet ocenił relacje ilościowe (tych zdawało się więcej)! Szpor umieścił powyższy opis na początku swojego artykułu Polskie wyniki piorunowe (miesięcznik „Problemy", nr 7/1968, str. 425-431) tytułując rozdział „Staszic 125 lat przed Mc Eachronem".

 

Na marginesie: była to bodajże ostatnia publikacja gdańskiego uczonego przed przymusowym ograniczeniem aktywności badawczej, ponieważ na fali „wydarzeń marcowych", mimo iż nie miał nic wspólnego z ich „syjonistycznym nurtem", został za - jak to później określono - „spieranie się z komunizmem" pozbawiony katedry i przeniesiony na przedwczesną emeryturę. Przyjemnie zaskoczyć może nonkonformizm redakcji „Problemów", umieszczających tekst w dziale „Z naszych pracowni badawczych" (numer 8. podpisany został do druku 9 czerwca 1968); jednakże ówczesny redaktor naczelny Józef Hurwic też został wkrótce odsunięty (a nawet zmuszony do emigracji). Signum temporis! (prof. Stanisław Szpor zmarł w 1991 roku, natomiast prof. Józef Hurwic, fizykochemik, mieszka w Paryżu i kończy w maju tego roku 100 lat!).

 

Nie dziwota więc, że dokonanie Staszica żyje w literaturze przedmiotu (vide np. referat Chrzan K.L., Marciniak R. History of Lightning Protection in Poland, Proceedings of 26th ICLP, Cracow 2002). Przerwijmy jednak już te historyczne dywagacje, by zweryfikować odkrycie w świetle aktualnej wiedzy. 

 

Czy Staszic mógł postrzegać kierunek rozwoju piorunów? 

 

Analiza musi być połączona z krótką rekapitulacją fizyki zjawiska, ograniczoną do kwestii absolutnie niezbędnych. Piorun jest jak wiadomo wyładowaniem między centrum ładunku elektrycznego w chmurze burzowej, a ziemią. Kierunek prądu, zdeterminowany przez polaryzację tego naturalnego kondensatora, pozostaje jednakowy poprzez wszystkie fazy wyładowania, jest wzrokiem nierozpoznawalny, a spostrzeżenia Staszica nie mogą mieć z nim nic wspólnego. (Na marginesie - mniej więcej 90% wyładowań przenosi elektrony z chmury do ziemi zaś pozostałe 10% w przeciwnym kierunku). Pioruny mogą być jednokrotne lub wielokrotne (z wytyczonej przez pierwsze wyładowanie drogi korzystają kolejne „porcje" ładunku elektrycznego). Wyładowanie jednokrotne jawi się nam jako pojedynczy rozbłysk pogiętej, często rozgałęzionej linii łączącej chmurę z ziemią; wielokrotne jako trwająca kilka dziesiątych sekundy seria takich rozbłysków, niekiedy nawzajem przesuniętych.

 

Rzeczony rozbłysk (zarówno pojedynczy jak i będący elementem serii w piorunie wielokrotnym) zda się obserwatorowi natychmiastowy na całej długości drogi. Dopiero aparat fotograficzny wirujący, zastosowany po raz pierwszy przez B. Waltera na początku XX wieku, umożliwił poznanie złożonej dynamiki, a co za tym idzie etapów rozwoju wyładowania. W fazie lidera iskra, z którą wiążę się prąd o natężeniu kilkuset amperów, jest linią zapoczątkowaną w chmurze i wydłużającą się w kierunku ziemi. Odbywa się to schodkami (segmentami) o długości kilkudziesięciu metrów; po rozwoju segmentu trwającym około 1 mikrosekundy następuje trwająca kilkadziesiąt mikrosekund przerwa. I potem kolejny schodek (vide Rys. 1. i Rys. 2.). Rzecz można porównać do rozkładania „niedotartej" anteny teleskopowej - trzeba się chwilę „natężyć" przed wyciągnięciem kolejnego odcinka.

Gdy dolna część lidera znajdzie się kilkadziesiąt do dwustu metrów nad ziemią, na jego spotkanie startuje z najwyższego zazwyczaj obiektu naziemnego tzw. lider oddolny. Po połączeniu, poprzez wytworzony kanał plazmowy przesuwa się w górę wyładowanie główne, o tysiąckrotnie większych, niż w fazie lidera, prądzie i prędkości.

 

Aż po lata 30-te XX wieku przyjmowano, że lider rozwija się zawsze od chmury do ziemi. Dopiero wspomniane wyżej badania Mc Eachrona na 400 metrowym Empire State Building w Nowym Jorku (podówczas najwyższym wieżowcu na świecie) doprowadziła do odkrycia wyładowań oddolnych (schodki lidera „wspinają się" w górę). Wkrótce ustalono, że takie wyładowania startują z wysokich obiektów (naturalnych lub sztucznych) począwszy od wysokości 200 m, a w przypadku najwyższych (nadawcze anteny telewizyjne, górskie szczyty) ilościowo dominują. Trzeba podkreślić, że badania prowadzono przy pomocy wirującej kamery! 

 

Staszic, jeśli faktycznie rozpoznać miał gołym okiem kierunek wyładowania, musiał spostrzegać fazy rozwoju lidera - tysiąckrotnie wolniejszego od wyładowania głównego. Ale czy był w stanie uchwycić kierunek narastania segmentów? Szacując bardzo zgrubnie (lecz inaczej nie sposób) - przeciętna 2,5 kilometrowa iskra lidera składa się z 50 segmentów o średniej długości 50 m. Jeśli „międzysegmentowe" przerwy w wyładowaniu wynoszą po około 50 mikrosekund, to czas trwania lidera można szacować na 2,5 milisekundy. Jest to zarazem przedział czasowy pomiędzy pierwszym i ostatnim schodkiem. Tu właśnie rodzą się wątpliwości... Zgodnie z aktualnym stanem wiedzy w zakresie percepcji wzrokowej, nie rejestrujemy bodźców trwających krócej niż 40 milisekund! Na przykład, w 1998 roku M. Bar i I. Biederman stwierdzili, że obraz wyświetlany przez 47 milisekund jest wykrywany jedynie przez jedną na siedem badanych osób: vide Bar M., Biederman I. Sublimal Visual Priming, Psychological Science 9/1998, pp. 464-469. Wyładowanie liderowe trwa co najmniej kilkanaście razy za krótko, by obserwator był w stanie postrzec kierunek rozwoju iskry! (Może widzieć co najwyżej statyczny „gorący" ślad w powietrzu.) Konkluzji tej nie sposób podważyć nawet słusznymi skądinąd uwagami, że ocena czasu trwania lidera może być zaniżona, zaś wartości progowej percepcji wzrokowej zawyżona, że ta ostatnia podlega silnemu rozrzutowi osobniczemu, że pioruny w Tatrach mają swoją specyfikę itd. Stwierdzony rozziew czasowy między progiem percepcji, a czasem rozwoju lidera jest po prostu za duży...  

 

Co faktycznie widział Staszic?

Zdaniem autora były to najprawdopodobniej wyładowania niezupełne, określane w fizyce pioruna i ochronie odgromowej jako strimery (ang. streamer), zwane też popularnie ogniami świętego Elma. Pojawiają się w burzowych warunkach silnego pola elektrycznego między chmurą, a ziemią. Ognie świętego Elma zapalają się przed burzą i w trakcie jej trwania na krawędziach dachowych, skałach, masztach, antenach. Zdarzają się nawet na wyciągniętej ręce (autor zna panią, pracującą na naszej uczelni, która doświadczyła takiej przygody na ulicy osiedla Widok w Krakowie). Za dnia są z oddali trudno widoczne, ale o brzasku, zmierzchu, nocą oraz podczas silnego zachmurzenia widać je w postaci świetlnych „miotełek" (Rys. 3.). Najłatwiej jednak zaobserwować to zjawisko w górach lub na morzu - na masztach i linach statków (Rys. 4.). Nazwa pochodzi od imienia św. Elma, patrona żeglarzy.

Weryfikując spostrzeżenia Staszica trzeba unikać błędu ahistoryzmu. Na początku XIX wieku nie było jeszcze jakiejkolwiek, a tym bardziej dynamiczne teorii pioruna, pojęcie prądu elektrycznego raczkowało (elektron miał zostać odkryty dopiero po upływie kilku dekad!) zaś łuk elektryczny (będący jakimś odpowiednikiem wyładowania atmosferycznego) został po raz pierwszy wytworzony w londyńskim laboratorium Humphreya Davy'ego dopiero w 1811 roku (Dzieło O ziemiorództwie... pisane było prawie równocześnie). Staszic, ogarniony przez straszne ciemno, wśród błysków i grzmotów widząc „ognie" na ostrzach skał, miał prawo uznać je za pioruny wypadające w górę, a ilościowo dominowały nad rzeczywistymi piorunami, więc napisał, że tych zdawało się więcej.

 

Ale to oczywiście tylko hipoteza autora, pisana drżącą ręką, bo podważa pogląd wielkiego autorytetu, którym był prof. Stanisław Szpor. Być może zagadka Staszicowego odkrycia nigdy nie będzie do końca rozwiązana...

 

Dr inż. Marek Szczerbiński