Furtunile Solare Si Efectele Mediului

Capitolul 1. Furtunile solare si efectele mediului

Furtunile solare și efectele. Aurora polară

Aurorele polare sunt unele dintre cele mai interesante spectacole ale naturii. Misterul formării lor i-a intrigat permanent pe oamenii de știință și, chiar dacă astăzi el a fost descifrat în ceea mai mare parte a sa, nu puțini sunt cei care cred că acest fenomen reprezintă o manifestare a unor forțe aflate dincolo de capacitatea de înțelegere a oamenilor. Observația aurorelor polare de către oamenii de știință este de sute de ani. Primii care au consemnat fenomenul au fost exploratori și geografi din Grecia antică. În 1621, doi cercetatori încercau, separat, să găsească explicații științifice. Este vorba de Pierre Gassendi și Galileo Galilei. În secolul următor, James Cook a observat fenomenul în Oceanul Indian și i-a dat numele de auroră australă. Lui Edmond Halley i se datorează supoziția că formarea aurorelor este legată de câmpul magnetic al Pământului. Experimentarea în laborator a acestui fenomen realizat de Kristian Birkeland, în 1896, l-a condus pe cercetator la concluzia că electronii din auroră ar proveni din radiația solară.O parte din ipoteze privind explicația științifică a aurorelor polare au fost confirmate sau infirmate cu ajutorul sateliților.

Denumite aurore boreale în emisfera nordică și aurore australe în emisfera sudică, aceste fenomene atmosferice au fost înțelese abia în anii 50, până atunci observarea și descrierea lor ținând mai mult de domeniul poeziei decât de cel al științei.

Aurorelele polare se formează în ionosfera terestră, la latitudini de peste 60 grade, simultan în ambele emisfere. Perioadele de observare a aurorelor coincid cu perioadele de intensitate maximă a activității solare sau puțin după acestea, atunci când fluxul de particule ionizate ioni negativi și ioni pozitivi-expulzat de Soare în spațiul cosmic, are intensitate maximă.

Acest spectacol de culoare are loc datorită materiei expulzate de Soare ce interacționează cu câmpul magnetic terestru. Aurorele se formează în timpul unei erupții solare. Odată la 11 ani, activitatea solară cunoaște un maxim, produs de rotația inegală a Soarelui. În urma exploziilor solare, sunt expulzate în spațiu particule puternic încărcate energetic (ioni) care se deplasează cu viteze ce variază între 30 și 1200 km/s în jur de două zile înainte de a ajunge în apropierea Pământului. Pământul este protejat de câmpul său magnetic, al cărui rol este tocmai acela de a opri aceste particule. Un „nor” de astfel de particule formează plasma. Fluxul de plasmă ce vine de la Soare este cunoscut sub numele de vânt solar. În timp ce vântul solar interacționează cu câmpul magnetic terestru, unele dintre aceste particule sunt deviate de acesta.

Pământul se comportă ca un magnet având un câmp propriu de forță acționând prin forța Lorentz. Particulele ionizate ale așa-numitului „vânt solar” ajung în apropierea Pământului, la nivelul învelișului magnetic al planetei-magnetosferă. Fluxul de particule înconjoară Pământul comprimând magnetosfera și dându-i aspectul unei cozi de cometă.

Fig 13.Magnetosfera

Efectul magnetosferei este ca ionii care compun „vântul solar” sunt redirecționați spre Pământ, pe liniile de forță ale câmpului magnetic terestru. Aceste linii de forță se deschid și se închid în cei doi poli magnetici ai planetei, situați în apropierea polilor geografici. În consecință, aceste particule se îndreapta spre cei doi poli magnetici (nord și sud). Ele urmează apoi liniile câmpului magnetic în jos spre ionosferă, strat atmosferic situat între 60 și 600 km.

Aceste particule „cad” în atmosfera înaltă de deasupra regiunilor polare, producând o „ploaie” de particule care se ciocnesc de moleculele gazelor din atmosferă. Aceste particule cu energii de 1 pana la 15 keV în coliziune cu atomii gazelor din atmosferă determină trecerea acestor gaze într-o stare energetică superioară (excitata). După un timp foarte scurt atomii gazelor atmosferice revin în starea de joasa energie (starea fundamentală) emițând energia primită sub formă luminoasă de diferite lungimi de undă , deci de diferite culori. Gama de culori variază între roșu, verde, albastru și violet, în funcție de energia particulelor incidente, dar și de concentrația moleculeleor din atmosferă. Cel mai des întâlnite sunt cele de culoare verde-deschis, care rezultă din coliziunea electronilor captați de câmpul magnetic terestru cu atomii de oxigen din atmosferă, la altitudiuni mai mici de 400 km.

Fig. 14 Aurora polara produsa de electroni

În timpul furtunilor puternice vântul solar produce radiația roșie datorată atomilor de azot și oxigen astfel că de cele mai multe ori se întâlnesc roșul și verdele.

Fig. 15 Aurora polara datorata atomilor de azot si oxigen

Cea mai recentă realizare în înțelegerea și explicarea completă a acestor fenomene deosebit de spectaculoase aparține cercetătorilor de la N.A.S.A. care au reușit o performanță unicat: fotografierea din spațiu a unei aurore polare; deși se cunoștea de multă vreme că fenomenul are loc simultan la ambii poli ai Pământului nu existau observații concludente care să certifice acest fapt. Mărturii care să conducă la astfel de ipoteze au existat desigur, de-a lungul timpului cea mai cunoscută fiind cea a lui Jammes Cook, marele explorator britanic, care, aflat pe mările australe, a fost martorul unei aurore pe care, exact în aceeași perioadă chinezii o consemnau în scrierile lor. Cum cele două puncte de observație erau situate în emisfere diferite, singura concluzie pe care cercetătorii au formulat-o a fost cea a bipolarității aurorelor. Cook a văzut aurora australă, iar chinezii pe cea boreală. Imaginea pe care a furnizat-o sonda spațială polar este însă fără echivoc cele două fenomene au loc simultan! [1] Lynch D. K.,

În timpul erupțiilor solare puternice, aurorele sunt vizibile la latitudinile joase (latitudini magnetice în raport cu polul magnetic), fapt care permite observarea lor din mai multe puncte de pe Pământ. Regiunile din lume în care aurorele pot fi observate cel mai bine sunt: Norvegia, Suedia, Finlanda, nordul Rusiei, nordul S.U.A., Siberia, Alaska și Canada.Unele dintre cele mai spectaculoase aurore polare generate în timpul unei furtuni geomagnetice a loc în 28 august și în 2 septembrie 1859. Ziarul New York Times consemna atunci că, în Boston, la ora 1 noaptea, oricine putea să citească ziarul datorită luminii aurorei.

1.2. Legendele aurorelor

De-a lungul secolelor apariția unor asemenea fenomene inexplicabile, dar de o rară frumusețe, a primit numeroase interpretări ce au născut legende și poezii.

O legendă nordică povestește că aurorele sunt datorate walkiriilor care sunt fecioare aflate pe cai și înarmate cu căști și lănci.În timpul călătoriilor lor, armurile lor emana o lumină care lumina cerul nordic, făcând ca oamenii să numescă aurora boreala -Lumina Nordului.

( bibliografie ). Finlandezii considerau că aurorele polare sunt scântei ce apar pe cozile vulpilor. Letonii erau convinși că aurorele sunt sufletele războinicilor morți care se arată pământenilor pentru a prevesti un razboi sau foamete. Chiar și Biblia face referiri la aurorele polare, făcându-se apel la un citat din Ezechiel: "M-am uitat și iată a venit de la miază-noapte un vânt năprasnic, un nor gros și un snop de foc, care răspândea de jur împrejur o lumină strălucitoare, din mijlocul căreia sclipea ceva ca un metal incandescent în mijlocul focului. Ca înfățișarea curcubeului, care stă în nor într-o zi de ploaie, așa era și infățișarea acestei lumini strălucitoare.

În literatură și în cinematografie, aurorele au constituit un mijloc de inspirație. Elizabeth Barrett Browning descrie în 1856 viața unei femei poet în "Aurora Leigh".Poetul american Wallace Stevens le-a dedicat un poem de 240 de versuri, "The Auroras of Autumn "/ "Aurorele toamnei într-un volum publicat in1950.

Românul Uca Marinescu, omul care a străbătut cinci continente povestește astfel: „după câteva minute am văzut valul care venea de sus ca un fuior de ceață albă trimis de sus spre Pămănt. Culoarul pe care a apărut aurora s-a luminat și năframa albă a coborat spre păduri, spre oameni, spre Pământ. Totul era o adiere, uneori mai puternică, dar foarte blândă. Când era profundă, când devenea diafană și imi părea rău să dispară.

1.3. Efectele aurorelor asupra mediului

Aurorele polare influențează liniile de curent și comunicațiile. Ele pot avea atât efecte negative cât și pozitive. Astfel în timpul acestor fenomene descrise anterior, pe o distanță de 201.000 km, liniile de telegraf nu au funcționat ore întregi. Pe de altă parte , energia aurorelor a fost folosită pentru a comunica telegrafic. În noaptea de 2 septembrie 1859, un operator din Boston și unul din Portland au renunțat la puterea bateriilor și au comunicat cu ajutorul "curentului auroral " timp de două ore. Furtuna magnetică din 13 martie 1989 a lăsat fără curent regiuni întinse din Canada, iar fenomenul s-a repetat în septembrie 1989 și octombrie 1991.

Vantul solar atinge Terra cu o viteza de 400km/secundă și cu o densitate de 5 ioni/cm cub. Aceste valori pot fi de câteva ori mai mari în timpul furtunilor magnetice.Vântul solar generează până la 1.000.000 megawați de electricitate într-un astfel de fenomen și acest lucru poate cauza interferențe cu liniile electrice, transmisiile radio-TV și comunicațiile prin satelit.

Prin studiul aurorelor, cercetătorii pot afla multe despre vântul solar, cum afectează acesta atmosfera și cum poate fi folosită această energie degajată în folosul omenirii. În urma observațiilor asupra Soarelui, aceste aurore pot fi prezise cu destulă acuratețe.

1.4. Fosfenele generate de radiațiile energetice din spatiu

După primul raport realizat de către Apolo și cei 11 astronațti, exploziile realizate în spații și pe teren au confirmat crearea fosfenelor datorită interacțiunii radiațiilor de mare energie cu sistemul vizual uman. Aceste radiații energetice generate de furtuni și fulgere sub forma razelor X , γ, electroni și neutroni sunt destul de puternice pentru crearea fosfenelor la om.

O fosfenă este o senzație vizuală care se produce fără ca lumina să ajungă in ochi. Percepția vizuală normală este creată de conversia luminii care cade pe retină, în semnalele electrice de către foto-receptori și interpretarea ulterioară a acestui semnal de către creier. Fosfenele pot fi induse prin stimularea directă a retinei sau a nervului optic prin mijloace mecanice, magnetice sau electrice.

Faptul că radiațiile de mare energie produse de radiu pot crea fosfene a fost prima data semnalată la sfarșitul secolului al XIX-lea, sugerându-se că fosfenele sunt produse în proporție de 80% de radiațiile iar restul de radiațiile γ.

Fosfenele pot fi produse în timpul furtunilor și fulgerelor. Cele care apar în vecinătatea furtunilor și fulgerelor sunt de interes major în cercetarea fulgerelor, deoarece oferă o explicație stiințifiică pentru unele observații ale acestora.

J. Peer și A. Kendl (Peer si Kendl, 2010) au arătat că un câmp magnetic produs la 100 m de un trăsnet este suficient pentru a produce fosfene. Ulterior, autorii au subliniat că variația câmpului magnetic trebuie sa fie suficient de mare pentru a produce câmpul electric necesar producerii stimulului la nivelul cortexului vizual.

1.5. Producerea fosfenelor de radiațiile energetice produse de fulgere și furtuni

Studiile efectuate în spațiu arată că probabilitatea inducerii fosfenelor de particulele energetice depinde de transferurile liniare de energie în tesut (LET). Pragul necesar pentru crearea de fosfene LET este de aproximativ 10 Me V/cm și probabilitatea crește cu circa 5 % la 50 MeV/cm.

Principala contribuție la doza de radiație primită de om la nivelul solului de la radiațiile cosmice este cauzată de către miuonii energetici. Energia medie a miuonilor în razele cosmice la nivelul mării este de 2GeV și transferul liniar de energie a acestora în țesut este de aproximativ 1MeV/cm. Acest nivel este de aproximativ un ordin de mărime mai mică decât pragul transferului liniar de energie. Cu toate aceste Darcy, Porter, Charman și Rowlands (Cooray și alții, 2011) au demonstrat câ atunci cand miuonii din razele cosmice trec prin ochi, se poate detecta o mică parte din senzația vizuală.

1.6.Studiul de caz privind producerea fosfenelor de către fulger

O persoană este afectată de radiația venită de la furtună și fulger atunci când se află în vecinătatea acestora. Persoana care este localizată în vecinătatea fulgerului poate fi expusă luminii puternice generate de fulgerul intermitent. Pe de altă parte însa, o persoană localizată în interior este supusă efectelor radiațiilor fără a expusa luminii fulgerului. Să considerăm lovitura unui fulger asupra unei clădiri cu o persoană în interior. Fluența fotonilor de raze X în apropierea fulgerului este de 103-105 fotoni/cm2 și energia medie a acestor fotoni este de câteva sute de KeV. Distribuirea energiei fotonilor se presupune a fi cea a radiației Bremsstrahlung și distribuția fotonilor este izotropă. Aceasta înseamna că influența fotonilor scade invers cu pătratul distanței. Acoperișul este o placă de beton cu grosimea de 2 cm. Utilizarea acestei ipoteze și ținând seama de atenuarea fotonilor în beton și aer , distribuția de energie a fotonilor în interiorul clădirii după trecerea plăcii de beton poate fi estimată. La fel se poate estima și energia produsă de aceasta radiație în țesutul ochilor unei persoane localizată la 2 cm de acoperiș și posibilitatea producerii de fosfene poate fi acceptată.

Estimări asemănătoare se pot face pentru radiațiile γ produse în timpul furtunilor și în cazul unei persoane aflate într-un avion în zbor când acesta traversează o zonă în care a fost înregistrat un nivel ridicat al radiației γ.

Concluzia acestor cercetări este că radiațiile de mare energie pot produce fosfene și că radiații de acest fel sunt produse în vecinătatea furtunilor însoțite de descărcări electrice.

1.7. Efectele furtunilor solare asupra sistemului cardiovascular

Cercetări recente au arătat că fenomenele atmosferice afectează sistemul cardiovascular. Furtunile geomagnetice, fluxurile de protoni furtunile puternice, etc., cresc riscul de infarct miocardic. Furtunile geomagnetice sunt asociate cu modificarea frecvenței cardiace a presiunii sîngelui, coagularea sângelui sau agregarea plachetelor sangvine, creșterea vâscozității sângelui și scăderea fluxului de sânge; ca urmare organismul trebuie să răspundă acestui stress.

Boala ischemică rămâne cauza principală a mortalității în lume. Cercetările au arătat că poluarea și condițiile meteolologice cresc riscul de infact miocardic acut. Ca urmare și fenomenele atmosferice dependente de activitatea solară pot să afecteze pacienții cu sindrom coronarian acut (ACS) timp de circa un an.

Studiul unor autori lituanieni (Vencloviene și alții, 2013 ) asociază riscul unor afecțiuni cardiovasculare (deces, ACS nefatal și bypass în timpul unui an după spitalizare, cu activitatea geomagnetică, fluxurile de protoni și exploziile solare care au avut loc în timpul și după spitalizare.

Autorii au înregistrat deteriorarea sistemului vascular în timpul furtunilor solare. Ei au arătat că fenomenele atmosferice pot influența riscul unor evenimente coronariene pentru pacienți cu (ACS) în timpul spitalizarii și chiar după spitalizare. Pentru aceasta au analizat 1400 de pacienți într-un spital din Lituania, care au supraviețuit mai mult de 4 zile in spital si dupa spitalizare. Autorii au făcut corelații pe baza unui model logistic între furtuna geomagnetică (GS), fluxurile de protoni solare (SPE) și exploziile solare (SF) care apar inaintea spitalizarii și după spitalizare și riscul de deces, ACS care nu este fatal și realizarea unui bypass (CABG) în timp de un an.

Pe baza testului 2 au identificat pacienții cu aceste afecțiuni pe baza vârstei, sexului, istoriei medicale, caracteristicile medicale la internare și tratamentul în timpul spitalizării.

Fenomenele atmosferice pot induce alterarea sănătății nu numai în ziua în care se produce acel fenomen ci și în zilele urmatoare. Autorii au investigat efectul variabilelor heliofizice în ziua spitalizarii, cu 1-2 zile înainte și după spitalizare și rezultatele au fost prezentate cu un interval de confidență de 95%.

Rezultatele au arătat că GS împreună cu SF cu o zi înainte de spitalizare crește riscul unei afecțiuni coronariene de 2,5 ori . GS după 2 zile de la internare și SPE la o zi de la internare crește riscul unui eveniment coronarian sau bypass de 2,8 ori. Riscul de bypass crește de 2 ori la pacienții internați în ziua când se produc GS și o zi după SPE. Riscul de ACS a fost de peste 1,6 ori mai mare pentru pacienții spitalizați înainte cu o zi sau după o zi cu exploziile solare.

Aceste rezultate sugerează că fenomenele atmosferice accentuează riscul unor afecțiuni cardiovasculare în timp de un an de la instalarea lor. Riscul unor evenimente cardiovasculare a fost afectat de condițiile atmosferice din 1-2 zile înaintea spitalizării, în timpul și în primele zile după spitalizare.

Pentru a se înlătura efectele negative în special ale furtunilor magnetice, autorii recomandă intensificarea terapiei pacienților cu ACS, pentru aceia care au fost spitalizați după o zi de la GS și pentru aceia care GS apar în primele zile de spitalizare.

Evenimentele solare extreme care apar odată cu creșterea activiățtii solare la un ciclu de circa 11 ani pot fi analizate de fizicieni și de inginerii de mediu monitorizând activitatea solară (exploziile solare, activitatea geomagnetică); astfel instituțiile specializate in monitorizarea mediului pot ajuta instituțiile de sănătate și astfelpe pacienți.

Alte complicații la nivelul sistemului cardiovascular includ:

daune miocardice directe sau necroze

disfuncție cardiacă acută

spasm al arterei coronariene

Capitolul 2. Electricitatea atmosferică și efectele asupra mediului înconjurator

2.1. Fenomenul și terminologia

Fulgerul – reprezintă o descărcare electrică între un nor și Pământ, între doi nori sau între două părți ale aceluiași nor.

El poate fi :

Fulgerul liniar – se prezintă sub forma unor benzi strălucitoare de lumină alb-albăstruie, simple sau ramificate, care șerpuiesc între doi nori sau între un nor și suprafața terestră. El este compus dintr-un canal de descărcare de 5 – 6 cm în

diametru, din care pornesc ramurile secundare, în general mai subțiri. Lungimea lui variază între 2 și 20 km. De regulă reprezintă o succesiune de descărcări electrice produse la intervale mici de cîteva milionimi de secundă

Fulgerul sferic sau globular – are forma unor sfere sau globuri incandescente, de culoare galben-roșiatică, avînd diametre de la cîțiva centimetri pînă la cîteva zeci de centimetri. Viteza lui de coborîre către suprafața terestră este moderată sau mică, din care cauză poate fi observat pe un interval de timp mai lung. Uneori pătrunde în interiorul diferitelor edificii (prin crăpături, coșuri etc.) pe care le părăsește fără zgomot. Cel mai adesea însă, el produce explozii puternice ca urmare a expansiunii bruște a gazelor comprimate în globul de foc.Fulgerul globular apare foarte rar, mai ales în urma descărcărilor electrice de mare amploare (http://www.meteo.md/hazard/oraje.htm).

2.2. Istoria fulgerului

Cercetarea fulgerului poate fi considerată a fi începuta cu Benjamin Franklin care în anul 1746 a început experimentele de laborator cu energie electrică. În anul urmator Franklin a descris asemănările dintre fulger și scânteile obținute în laborator iar în 1750 a publicat proiectarea unui experiment care implică tije metalice verticale izolate de pe Pământ destinate să demonstreze că fulgerul a fost electric. Acest experiment a fost efectuat prima data în Franța în anul 1752 (Dwyer și colaboratorii).

După Franklin nu a existat un progres semnificativ în înțelegerea fulgerului până în secolul al XIX-lea când fotografiile și spectroscopia au devenit disponibile ca tehnice de diagnostic. Primele măsuratori curente despre fulger au fost realizate de Pockels în Germania. El a analizat câmpul magnetic rezidual indus într-o stâncă de bazalt de pe Pământ de curenții din trăsnet pentru a estima intensitatea curenților produși de fulger.

Cercetarea fulgerului a fost continuată de Wilson în Anglia (care a primit Premiul Nobel pentru invenția camerei cu bule pentru a urmări particulele elementare). Wilson a folosit câmpul electric pentru a analiza atât structura sarcinii electrice din furtună cât și sarcina implicată în descărcarcarea din fulger.

Înainte de 1970, cercetarea fulgerului a apărut din nevoia de a proteja în mod adecvat liniile de distribuție a utilităților și liniile de putere și transmisie. După aceea cercetările asupra fulgerului au fost legate de folosirea unor noi tehnici cu scopul de a obține surse de energie alternative.

Fulgerul poate fi definit și ca o scânteie electrică “foarte lungă”adică mai mare de un kilometru (Dwyer și alții) . Cel mai mare fulger este generat de furtuni și se caracterizează printr-o lungime de 5-10 kilometri, cea mai mare valoare înregistrată fiind de peste 100 kilometri. Pentru a se produce descărcari primare într-un nor de ploaie (aspecte deduse din măsurătorile de la sol și măsurătorile din laborator ale câmpurilor electrice ale norului), interacțiunea gheață-grindina trebuie să aibe loc la altitudini unde temperatura este de -100C la -200 C. După ce sarcina electrică a fost transferată în timpul coliziunii particulelor de gheață și grindina, cristalele de gheață încărcate pozitiv sunt transportate în partea de sus a norului de furtună la o altitudine de aproape de 10 kilometri deasupra nivelului mării, în timpul furtunilor moderate de vară , în timp ce grindina cu sarcină negativă se deplasează în partea inferioara a norului la o altitudine de 6-8 kilometri. Într-un nor de furtună tipic, o mică sarcină pozitivă este de asemenea găsita sub principala sarcină negativă la altitudini unde temperatura este mai aproape de congelare (Fig.) .

Fig 1.Structura sarcinii a doi nori simpli de fulger

Există o varietate de mecanisme care au fost sugerate cu scopul de a produce sarcina pozitivă, inclusiv descărcări corona și coliziuni între diferitele tipuri de particule din precipitații la temperaturi mai mari de 00 C.

2.3. Problema inițierii fulgerului

Problema explicării modului în care fulgerul apare în interiorul unei furtuni, este una din cele mai mari probleme în studiile fizicii atmosferei. În centrul problemei este faptul că zeci de ani de măsurători de câmp electric în mod direct în interiorul furtunii, nu au reușit să găsească câmpul electric suficient de mare pentru a produce scânteia chiar și atunci când nu se ține cont de densitatea redusă a aerului și prezența particulelor de gheața.

Definim inițierea fulgerului în interiorul unei furtuni ca un proces care conduce la crearea unui canal principal fierbinte. Uneori, acel canal principal se numește descărcare inițială sau canal de descărcare preliminară pentru a distinge proprietățile acelui canal de cele a canalelor din aer de sub nor. Pentru înțelegerea inițierii fulgerelor, este necesară atât cunoașterea detaliilor proceselor microfizicii de descărcare care produc canalul principal cât și procesele din cadrul norului care produc câmpuri electrice mari, necesare pentru inițierea unui fulger. Odată ce canalul principal este creat în interiorul norului, urmează problema înțelegerii propagării fulgerului (Dwyer și colaboratorii). Se cunosc trei ipoteze privind inițierea fulgerului:

câmpul electric undeva în norul de fulger este mai mare decat cel măsurat;

fulgerul este creat prin intermediul picăturilor de lichid sau de particule de gheață, numiți hidrometeori;

electronii energetici joacă un rol important în inițierea fulgerelor;

Aceste trei idei sunt de fapt legate. De exemplu, în cazul în care producerea de electroni joacă un rol în inițierea fulgerelor, acesta este probabil de a consolida la nivel local câmpuri electrice de valori foarte mari. Alternativ, poate fi posibil si efectul cumulat al unor particule care pot crește câmpul electric pana în momentul în care fulgerul este inițiat. În cele din urmă este posibil ca încalzirea norului de fulger, să producă zone izolate cu câmpuri electrice mari, de exemplu, prin turbioane produse de turbulența în norul de fulger.

Fulgerul este cauzat de interacțiunea dintre sarcinile negative și pozitive din atmosferă. Furtunile care nu reușesc să producă o cantitate mare de gheață, s-ar putea să nu producă fulgere.

2.4. Estimare distantei de la un fulger. Legatura între fulger și tunet

Estimarea distanței de la producerea unui fulger se poate face cronometrând timpul dintre fulgerul văzut și tunetul auzit. Fulgerul și tunetul se produc în același timp, însa lumina are o viteza de 300.000 km/s iar sunetul doar 344 m/s (aproape de un million mai mică decât viteza luminii). Pentru a determina distanța de la fulger , se cronometrează secundele dintre fulger și tunet iar acestă valoare se împarte la 3 pentru a obține distanța aproximativă în km. De exemplu dacă am numărat 6 secunde între fulger și tunet, atunci distanța este de aproximativ 2 km. Daca repetam “experimentul” pe mai multe descărcări electrice, putem trage concluzia dacă furtuna se apropie (timpul dintre tunet și fulger se micșorează) sau se depărteaza de noi ( timpul se mărește ).

Fulgerul este rezultatul vizibil al unei descărcări electrice. Fluxul de energie ce se creează in timpul descărcării încălzește aerul atât de puternic încât acesta devine luminos. Aerul din jurul "tubului" prin care are loc descărcarea electrică se încălzește brusc până la temperaturi de aproximativ 30.000 0 C (cam de 5 ori mai mare decât temperatura la suprafața soarelui). Ceea ce vedem noi drept fulger este de fapt aer încins (iar fenomenul se numește incandescență, același fenomen prin care becurile clasice luminează). Mai mult, aerul astfel încălzit se dilată aproape instantaneu și se mișcă radial, spre exterior, "antrenând" celelalte pături de aer și determinându-le să vibreze. Aceste vibrații sunt percepute drept unde sonore și le numim tunet.

2.5. Fulgerele negative si pozitive

Nu toți norii de fulger cu sarcină negativă se găsesc în partea de jos a norilor de furtună. Unele fulgere își au originea în norii Cirrus la partea superioară a furtunii. Această zonă poartă o sarcina încărcată pozitiv. Fulgerul din această zonă se numește fulger pozitiv. Acest tip de fulger este deosebit de periculos, din mai multe motive. O problemă cu fulgerele pozitive este că au în mod obișnuit o durată foarte mare, astfel încat incendiile sunt foarte ușor de aprins. Fulgerele pozitive poartă, de obicei, un curent electric care crește riscul de a lovi persoanele într-un mod grav. O lovitură de fulger pe sol poate genera o sarcină electrică de 100 milioane-1 miliard de volți. Fulgerul poate transporta un curent între 25.000 până la 250.000 amperi (prin comparație cu o priza de uz casnic tipic este de 10 amperi) .

Temperatura unui fulger este de 30.000 0 C fiind mai mare decat a Soarelui. Fulgerele pot crea unde radio foarte puternice. Aproximativ 40% din fulgere sunt bifurcate cu doua sau mai multe puncte de fixare la sol. Cele mai multe fulgere apar la începutul sau sfârșitul unei furtuni. Fulgerul poate acționa pe distanțe mari, cu mult în afara zonei de ploaie și chiar dincolo de norul vizibil. El lovește la distanțe între 4 kilometri și 10 kilometri , dar de obicei lovește la distanțe de până la 15 kilometri. Fulgerul este mereu însoțit de un tunet. Obiectele dintr-o zonă deschisă pot fi ușor lovite de fulger, chiar dacă se află în apropierea unui obiect înalt. Semnele de avertizare cele mai vizibile care prevestesc apariția fulgerelor sunt vânturile foarte puternice, precipitațiile și întunecarea norilor .

2.6. Detectorii de fulgere

Mai ales în timpul verii, acțiunea fulgerului începe brusc și în condițiile de ploaie. Detectorii fulgerelor pot dacă o furtuna ar putea fi la o anumită distanță. Detectorii variază în funcție de complexitate și costuri, de la echipamente mari și scumpe și ei pot detecta un fulger de la 60 la 100 kilometrii distanță. Tehnologia aplicată (mai ales detectoarele de unde electromagnetice emise de fulger) și destinația acoperă o gamă largă de detectori. Cu toate acestea nici un detector nu va detecta fulgerul tot timpul.

Tehnologiile disponibile ale detectorilor fulgerelor includ:

radiofrecvența (RF) –surse de energie de la fulgere;

inferometrele –reprezintă dispozitive multi-stație care pot măsura datele fulgerelor mult mai precis;

sistemele de rețea-reprezintă rețele de detectare a fulgerelor care se găsesc în unele țări în care fulgerele sunt raportate la un post central. Datele despre furtunile locale și despre intensitatea fulgerelor ar putea fi utile în scopul evaluarii riscurilor;

echipament pre-fulger ce măsoară gradientul de potențial (tensiune) al câmpului electric pe Pământ

monitoare optice – aceste dispozitive pot furniza avertismente mult mai devreme de producerea fulgerului

modelele hibride – folosesc o combinție de tehnologii având doua sau mai multe surse de informare (exemplu nor-nor, nor-sol, recunoaștere optică) .

2.7. Efectele fulgerelor asupra oamenilor

Înca de la începuturile omenirii, au fost observate mii de efecte provocate de fulger, care au dus la decese și daune la om, cu efecte pe termen scurt și pe termen lung.

Se estimează că 1800 de furtuni sunt în curs de desfășurare în orice moment dat în întreaga lume. Mai mult de 44.000 de furtuni pot apărea producând 8.000.000 de fulgere. În fiecare an, fulgerele rănesc sau ucid mulți oameni. Decesele cauzate de leziunile fulgerelor sunt de 0,2 -0,8 la 1 milion pe an. Anual există aproximativ 24.000 de decese și 240.000 de accidente la nivel mondial de fulger. Pentru rănile sau decesele din cauza fulgerelor sunt revendicate despăgubiri la polițele de asigurare. Sunt raportate multe cazuri cu privire la victimele afectate de loviturile fulgerelor.

Efectele fulgerului sunt legate de efectele unui curent electric care trece prin corpul uman și care sunt în primul rând sunt legate de frecvența și durata curentului. Există numeroase eforturi de-a lungul ultimelor decenii, dedicate efectelor curentului electric asupra omului. Cu toate acestea, cele mai multe dintre studii iau în considerare numai frecvențele joase și sunt concentrate în principal pe analize de curent sinusoidal cu frecvența, în domeniul 15-100 Hz. Fulgerul este un fenomen care implică un risc de complicații medicale dramatice pentru sistemul de organe. Un fulger trimite o sarcină electrică puternică, fie prin corp sau pe suprafața acestuia. Se pot obține arsuri foarte usor dacă pe corp este un obiect metalic (cataramă, fermoar, monede ). O rană gravă poate provoca daune de lungă durată la creier și ochi și chiar pot fi fatale. O lovitură mai ușoară poate provoca dureri de cap, confuzie, furnicături, amorțeală, slăbiciune sau uneori diferențe de auz, văz și memorie. Arsurile pot fi vizibile de la început, sau pot apărea peste cateva ore. Se apreciază că 10% din victime sunt ucise și 90% supraviețuiesc. Rănile fulgerului pot apărea de la o lovitură directă, sau în contact cu un obiect lovit.

Descarcarea unui fulger contine urmatoarele elemente, care pot provoca daune organismului uman:

-un curent electric de aproximativ 10.000-110.000 Ams;

-temperatura interna a unui fulger este de 8000 0C;

-temperatura mare a aerului asociată descărcării fulgerului și aburul generat de apa din corp când descărcarea traversează corpul;

-un câmp magnetic intens creat de un puls de curent al fulgerului poate penetra corpul.

Perioada de contact a descărcării fulgerului cu victima este de aroximativ 10-3-10-4s.

Fulgerul poate lovi o persoana prin una din modalitățile:

– În cazul în care victima este lovită direct de descărcarea unui fulger, atunci aceasta se numește lovitură directă. Acest tip de descărcare poate fi fatală sau poate cauza leziuni severe.

– Atunci cand un fulger sare de la un obiect din apropierea victimei, acesta se numește bliț sau stropi. Prejudiciul cauzat organismului se datorează curentului din fulger.

– Atunci când curentul unei lovituri de fulger este transferat de la obiectele lovite de fulger deținute de victimă; acesta se numește contact direct .

– Cand fulgerul lovește Pământul și curentul este transferat de la victimă la Pământ , atunci acesta este denumit current –sol .

a ) La nivel ocular

În cazul unei lovituri de fulger , curentul care trece prin cap cât și radiațiile puternice produse de acesta pot provoca o serie de probleme medicale la ochi. Foarte multe probleme la ochi se dezvoltă pe o perioadă lungă de timp, și supravegherea unui supraviețuitor în urma unei lovituri de trăsnet este necesară.

Cataracta este cea mai frecventă boală raportată de-a lungul timpului. Primul incident care a dus la formarea cataractei a fost raportat în anul 1722. O cataractă este opacifierea cristalinului din ochi care afectează vederea. O cataractă poate aparea într-unul sau ambii ochi. Cauza cataractei ar putea fi încălzirea fluidelor ochiului care se comportă ca o lentilă ca urmare a expunerii ochiului la radiații. Fulgerul este o sursă foarte puternică de radiații ultraviolete și, recent, s-a arătat că dă naștere la puternice raze X și radiatii γ. În cazul leziunilor provocate de fulger, cataracta poate apărea în cateva zile sau în cațiva ani după accidentare. (Cooray și colaboratorii, 2007). Cataracta a fost observată nu numai în cazul loviturii de fulger în aer liber, dar și în cazuri de fulger asociate cu telefoanele.

Wankhede și Sariya au raportat că un băiat de 16 ani lucrător agricol sănătos, în timp ce lucra la o ferma de orez pe ploaie în luna musonului de septembrie a fost lovit direct de fulger la față (Wankhede si Sariya, 2013). La 9 dimineață acesta este găsit într-o stare de inconștiență de către colegii de muncă. La ora 14 a fost dus mort la secția de urgență. În urma unei examinări externe, au fost observate hemoragii la ambii ochi (Fig. ).

Fig 2. Hemoragie sclerală (Wankhede si Sariya, 2013)

Arsurile au fost prezente în regiunea sternală și epigastrică cuprinzând 9 % din suprafața corporală ( Fig. )

Fig 3. Arsuri în zona suprasternală (Wankhede si Sariya, 2013)

De asemenea s-a observat și pârlirea părului de pe corp. Limba a fost edematoasă și papilele au fost arse. Examinarea internă a relevat o congestie a organelor și edem pulmonar; edeme cerebrale au fost de asemenea prezente. Stomacul și intestinele s-au umflat de gaze. Examinarea histologică a relevat edemul alveolar și hemoragie la plămâni. Secțiuni ale creierului arătau compensare pericapilară și perinucleară care sunt observate la edem cerebral. Cauza morții a fost atribuită electrocutării la fulger. Fulgerul poate lovi oriunde, oamenii din oraș sunt mai protejați de fulgere din cauza clădirilor înalte și stâlpilor de telefon în comparatie cu cei care trăiesc în mediu rural.

b) La ureche

Surditatea temporară poate apărea din cauza zgomotului și a undei de șoc. De la 30% la 50% dintre victime vor avea rupturi ale membranei timpanice. Figura 4 arată efectele asupra urechii umane.

Figura 4. Efecte asupra urechii umane (http://www.wikipedia.ro)

Aproximativ 20-50 % din victimele rănite de fulger suferă rupturi ale membranei timpanice din urechea externa . Cauza acestui efect ar putea fi probabil unda de șoc creată de acțiunea fulgerului. În timpul unei lovituri directe a fulgerului în partea superioară a corpului , urechile pot fi situate la cațiva cm de lovitura fulgerului. În unele cazuri, chiar dacă membrana timpanică rămâne intactă, victimele înca pot suferi de pierderi permanente ale auzului. Acest lucru este probabil cauzat de deteriorarea celulelor cu perișori din cohlee. Explozia poate provoca de asemenea daune oscioarelor care vor duce la surditate. Fracturi craniene induse de fulger pot provoca de asemenea daune în ureche.

c) Complicații neurologice produse de fulger

În cazul acestor complicații vom prezenta două cazuri în care loviturile fulgerului au fost chiar fatale.

Primul caz

Un pacient în vârstă de 57 de ani a fost lovit de fulger în timp ce era pe terenul de golf (Cherington și alții, 1995). După lovitura fulgerului foarte puternică, acesta s-a dovedit a fi incoștient și în fibrilație ventriculară. După aplicarea tratamentului de specialitate, s-a înregistrat o tahicardie sinusală cu o rată de 140 bătăi pe minut. A fost transportat la spital dar nu și-a recăpătat conștiința. A fost diagnosticat ca având o rănire severă a creierului din cauza stopului cardiac și a primit tratament. Pacientul însa a murit la doar trei zile de la internare.

Al doilea caz.

Un barbat de 30 de ani a mers sa încuie o ușă de sticlă în timpul unei furtuni cu descărcări electrice seara. Partea dreaptă a feței lui era lângă ușa din sticlă. O clipă mai tarziu a văzut un fulger pe terasă. La trezire în dimineața urmatoare, el a observat că are o rană pe partea dreaptă a feței și nu a putut închide ochiul drept în timpul dușului de dimineață. O examinare neurologică a relevat 4 zile mai târziu o paralizie a nervului principal facial. Membranele timpanice și testarea auzului au fost normale (Cherington si altii, 1995).

Principalele efecte neurologice sunt legate de starea de conștiență, care pot varia între dezorientare cu amnezie retrogradă și pierderea conștienței. Acestea au cauze fie cerebrale sau cardiace. Deficitele neurologice afectează nervii cerebrali și sistemul nervos periferic. Afectarea nervilor cerebrali poate conduce la pareze ale mușchilor faciali, afonie și / sau dificultăți de înghițire. Deficitele motorii pot manifesta pareze, deficite senzoriale, calitatea principală a senzației de durere este raportată a fi de ardere. Deficitele vegetative includ cianoză, hipertensiune, pierderea tonusului vezicii urinare, și / sau disfuncționalități ale motilității intestinale. Tulburările reflexe includ reflexe exagerate, hiporeflexie, și areflexie (Zack și alții, 2007).

d) Leziuni ale fulgerului asupra unei femei însarcinate

Lul în vârsta de 33 de ani, tehnician, aflată în luna a patra de sarcină (18 saptamani) a suferit arsuri provocate de fulger în timp ce lucra afara într-o cariera (Gutierrez si altii, 2005). Rănile de intrare au fost detectate la nivelul scalpului și gât în timp ce rănile de ieșire au fost detectate în extremitatea inferioară dreapta (partea laterală a gambei și a gleznei, și scobitura gleznei). Mai mult, ea a prezentat arsuri severe și în alte zone ale corpului (Fig.).

Fig 5. Intrare ranei la cap și gât (Gutierrez și alții, 2005)

Atât în ​​timpul accidentului cât și în timpul internarii la unitatea de arși ea însa nu a arătat nici un simptom de leziuni neurologice sau cardiologice. Resuscitarea a fost stabilită cu administrarea de lactat Ringer, diuretice, osmotice și bicarbonat. Puține ore după internarea la unitatea respectivă, ea a dezvoltat un sindrom în partea dreaptă (durere, răceală) și s-a realizat și o fasciotomie a părților musculare a călcâiului drept (Fig. )

Fig 6. Fasciotomia musculară a călcâiului drept (Gutierrez și alții, 2005)

A fost efectuată și o scanare de tip Computer Tomograf la cap pentru a exclude o leziune osoasa în scalp (punctul de intrare a loviturii) și la 6 zile după internare, a fost operată sub anestezie generală. Perioada postoperatorie a fost favorabila, analizele au aratat ca parametrii erau normali si ecografia fetusului a fost normală. Dupa numeroasele tratamente în departamentul ambulatoriu de obstretică, ea a dat naștere unui fiu sanatos. Nou- născutul nu a prezentat niciun fel de handicap sau tulburare.

e) Fulgerul : o etiologie neobișnuit de perforație gastro-intestinală

Cele mai frecvente leziuni provocate de către acest fenomen natural duc de cele multe ori la o mortalitate mare, variind de la 20-30%. Persoanele cele mai vulnerabile la loviturile de fulger sunt cele care lucrează în domenii deschise. Deși leziunile provocate de fulger pot implica toate sistemele de organe, asa cum am arătat deja, leziunile cel mai frecvent raportate sunt cele ale sistemului cardiovascular și ale sistemului nervos.

Au fost raportate de asemenea și complicații gastro-intestinale.

Un băiat de 12 ani a fost adus spitalul de urgență într-o noapte de vară cu arsuri pe față, pe gât, arsuri ale hemitoracelui drept și regiunile abdomenului și, pe termen scurt, alterarea stării mentale după ce a fost lovit de fulger într-un câmp deschis. Pacientul a fost adus la spital dupa aproximativ 8 ore .

Fig. 7 Perforația intestinului subțire (Aslan și colaboratorii, 2007)

Punctul de intrare al curentului produs de fulger a fost prin partea dreaptă a gâtului său și acesta a ieșit prin picior. La sosire, semnele vitale ale pacientului au fost normale. Examinările cardiace și pulmonare au fost în limite normale. În urma unei examinări abdominale, a fost detectată o durere în partea dreaptă a abdomenului. În a doua oră de la internare, pacientul a fost operat sub anestezie generală. Explorările abdominale au arătat o perforație a părții terminale a intestinului subțire (Aslan și colaboratorii, 2007).

2.8. Daunele provocate de fulger plantelor

Loviturile fulgerelor afectează mediul înconjurator și tot ce conține acesta. Copacii, plantele, animalele și oamenii sunt cei mai afectați și daunele provocate de fulger sunt numeroase.

Contactele fulgerului cu Pământul sunt de aproximativ 100 de ori pe secundă sau 8 milioane de ori pe zi. Având atât de multe lovituri, probabilitatea de deteriorare a plantelor este foarte mare. Valurile de căldura și de presiune generate de fulger pot ucide sau pot provoca daune plantelor instanteneu, cauzând pierderi în culturi. O scurtă explicație a efectelor fulgerului rezultă din acumularea și evacuarea energiei electrice datorate sarcinilor pozitive și negative( Nelson, 2008) .

Daunele cele mai severe la plante pot fi provocate de extremele de căldura și șocul generat de fulger. Energia curentului produs de fulger produce o temperatură de 50.000 0C. Fluxul de căldura transformă în aburi și produce arsuri celulelor și țesuturilor plantelor, ceea ce duce la simptomele: ofilirea și înnegrirea țesuturilor necrotice, arsuri ale rădăcinii, tulpinii și fructelor. Undele de șoc apar deoarece energia termică extraordinară este produsă într-un milionime de secundă, timp care este mult prea mic astfel ca unda să se extindă treptat. Presiunea produsă de-a lungul canalului fulgerului prin această caldură intensă este de ordinul a 10 până la 100 de ori presiunea normală la nivelul mării. Aceasta regiune de înalta presiune se extinde rapid spre exterior provocând comprimarea aerului înconjurator. Această regiune de comprimare se propagă spre exterior ca o undă de șoc. Aceasta undă de șoc produce arsuri și cicatrici pe organele plantelor. Se înregistreaza de asemenea o scădere în masă a fructelor verzi. Pentru culturile cum ar fi sfecla de zahar, cartofii sau tuberculii cartofilor dulci rădăcinile subterane sunt afectate (Nelson, 2008).

Sărurile minerale, îngrășămintele solului și gazele se dizolvă ușor în apă. De exemplu rădăcinile pot absorbi nutrienți din îngrășăminte ca atomi încărcați( ioni) care posedă o sarcină pozitivă sau negativă. Unii dintre ionii pozitivi sunt: Mg, Ca, Na, amoniu(+1), fosfați și altele. Acești ioni se pot deplasa prin apă. În timpul unei lovituri de fulger nor-sol , care are loc în general în miezul unei furtuni , mulți dintre ionii pozitivi din apa din solul ce înconjoară planta se deplasează ca un fluid ionic în partea vegetativă a plantei în timp de milisecunde și această sarcină produce o distrugere a plantelor.

Un mit larg răspandit spune că fulgerul lovește numai conductoarele de metale, ceea ce nu este adevărat. Fulgerul caută calea minimei rezistențe în sol prin cel mai bun mediu cum ar fi lemnul sau metalul.

Copacii, din cauza înălțimii lor, sunt paratrasnete naturale. Deterioararea lor poate fi minimă sau explozivă. Din moment ce apa sau seva este un conducator mai bun decat lemnul, daunele fulgerelor sunt adesea legate de condițiile de umiditate în și în jurul unui copac. De exemplu, daca umiditatea este concentrată în floemul din scoartă și lemn, atunci lovitura fulgerului va produce o separare explozivă a scoarței. Dacă exista mai multă umiditate în centrul copacului, explozia din interior va distruge copacul. Moartea unui copac de la un fulger, în sine, nu poate fi ușor diagnosticată. Unii copaci mor imediat de la fulgere aparent mici, în timp ce alții trăiesc un număr mare de ani (Nelson, 2008). Pentru a face fața stresului datorat căldurii, copacii au nevoie de o cantitate mare de nutrienți. Studiile au arătat că apa suplimentară, după lovitura fulgerului, poate ajuta copacul să absoarbă mai mulți nutrienți din sol. Pentru a preveni deteriorarea copacilor produsă de fulgere, atăt în curte cât și în afara ei, trebuie instalat un sistem de protecție trăsnet. Aceasta se realizează prin atașarea unei serii de cabluri de cupru la cele mai înalte ramuri ale copacului, curentul curgând în jos prin cabluri și în condiții de siguranța în sol.

Fig. 8 Căderea frunzelor de papaya datorită impactului cu fulgerul (Nelson, 2008)

2.9. Efectele de ridicarea a microorganismelor în atmosferă

În ultima perioadă au fost raportate microorganisme la altitudini mai înalte de tropopauză, înalțime la care de obicei nu se poate explica prezența lor (Dehel si altii, 2008). De fapt știința modernă înca nu poate raspunde întrebării : “Cât de sus pot fi găsite microorganismele ?” Explicația este legată de capacitatea câmpurilor electrice din timpul furtunilor, de a ridica particule de gheață care pot conține microorganisme. Pe baza unui model bazat pe simulare, se poate demonstra că câmpurile electrice din timpul furtunilor ar putea accelera particulele încarcate foarte mici împotriva forțelor de gravitație. Prin urmare acțiunea mecanismului de ridicare, ar putea explica prezența microorganismelor în stratosferă, la altitudini de 40 km și chiar mai sus.

Este cunoscut faptul că microorganismele se găsesc în straturile inferioare ale atmosferei. Mai mulți cercetători au raportat existența unor microorganisme mai sus de tropopauză, acestea fiind ridicate în stratosferă unde prezența lor a fost foarte greu de explicat. De fapt cea mai mare altitudine la care pot fi găsite microorganismele este necunoscută. Presupunând că aceste microorganisme provin de la, sau din apropierea Pământului, este necesar să se cunoască mecanismul de ridicare ale acestora. Deși unele explicații au fost oferite (de exemplu vulcani și lansări de rachete), o metodă imaginabilă de ridicare care nu a fost explorată, este forța produsă de câmpurile electrice naturale asupra particulelor încărcate . Este bine cunoscut faptul că, cristalele de gheață microscopice asociate unei furtuni conțin sarcini electrice, dar este mai puțin cunoscut faptul că unele microorganisme din aer conțin o sarcină electrică. Întrebarea pe care și-o pun cercetătorii este dacă ar fi posibil ca microorganismele găsite în stratosferă ( 40 km ) să fie datorate câmpurilor electrice generate de furtuni. Furtunile sunt compuse din una sau mai multe regiuni stratificate cu particule încarcate. Câmpurile electrice în furtuni au fost studiate de mai multe decenii, cu măsurători care arată că intensitatea câmpului în nor poate depăși 100 KV/m. Cercetătorii au arătat că, în momentele și locurile în care câmpurile electrice din atmosferă sunt puternice, aceste câmpuri electrice pot ridica particule mici. Forțele care trebuie luate în considerare aici sunt :

Forța electrică generată de câmpurile electrice asupra unor particule.

Forța de gravitație care acționează asupra particulelor;

Forța undei de tragere asupra particulelor accelerate în sus;

2.10. Fulgerul și câmpurile electrice și impactul lor asupra ionosferei

Impactul fulgerului în atmosferă și ionosferă a fost observat și cercetat de mai multe decenii. Au fost făcute observații la diferite frecvențe și la distanțe foarte mari, 10.000 km sau mai mult, senzorii oferind o imagine în timp real a furtunii. Măsurătorile în gama de frecvență înaltă sunt rare deoarece semnalele la frecvențe mai mari decât cele ale plasmei sunt greu observabile de pe Pământ.

S-a constatat că fulgerul poate modifica semnificativ densitatea de electroni în ionosfera inferioară. Măsurătorile de frecvență medie pot fi folosite pentru studiul perturbațiilior ionsferei inferioare produse de trăsnet. Thomas Farges și Elisabeth Blanc au realizat în 2004, (Farges si Blanc, 2011) măsurători simultane ale câmpului electric în diferite benzi de frecvență atât la nivelul fulgerului cât și al semnalului transmis ulterior(fig. 9).

Fig. 9 Semnalele VFL(very low frequency) transmise la nivelul fulgerului în timpul fulgerului și evoluția ulterioară (Farges si Blanc, 2011)

Autorii concluzionează că fulgerul este cel mai important contributor la modificarea densității de sarcină a electronilor în timpul nopții. În plus încălzirea electronilor datorită impulsului electromagnetic (EMP) din ionosfera inferioară, rezultată prin absorbția undelor, constituie probabil o parte a emisiei luminoase în timpul interacțiunii electronilor cu ionosfera inferioară. Acest studiu a permis monitorizarea schimbărilor de încălzire în ionosfera inferioară.

2.11. Stațiile de măsurare ale parametrilor fulgerelor

În ultimele decenii, unele sisteme de măsurare pentru parametrii fulgerului au fost dezvoltate și instalate, întotdeauna pe structuri înalte, cu o densitate mare de lovituri pe an sau folosind declanșatorii de fulger. Cele mai multe dintre cunoștiințele existente despre dezvoltarea fulgerelor și despre parametrii acestora sunt bazate pe aceste cercetări. Există informații și concluzii legate de destinații de plasare și forme, dar concluziile nu pot fi extrapolate la toate tipurile de structuri. Sistemele de masurare a fulgerelor au fost instalate în anumite locuri care permit utilizarea echipamentelor scumpe de măsurare cu mulți senzori și cu sisteme de înaltă performanță. Prin folosirea unui astfel de echipament este posibil să se măsoare o multitudine de parametrii legați de fulger (lumină, sunet, radiații, câmp magnetic ), dar toate aceste măsuratori sunt asociate cu un singur eveniment, astfel încat procesul de obținere a unor interpretări statistice este lent. Fulgerul produs prin declanșare directă a prezentat unele diferențe față de fulgerele naturale, deși se obține o frecvență mai mare de fulgere. O altă abordare în caracterizarea fulgerului este cea bazată pe măsurătorile câmpului electromagnetic ce însoțește descărcarea din fulger. Principala limită în obținerea unor date concludente a fost costul echipamentului și nevoia de supraveghere umană a instalației. În prezent echipamentele pentru măsurarea fulgerului permit reducerea costului și automatizarea lor (Ruiz, 2009).

2.12. Analiza riscurilor legate de fulger pentru centralele electrice eoliene

Sursele regenerabile de energie, în special energia eoliană, sunt larg aplicate ca mijloace de a ajuta la reducerea emisiilor de gaze. Prin urrmare este de așteptat ca energia eoliană să devină o parte importantă a politicilor energetice.

Deoarece energia eoliana câătiga o importanță destul de mare în întreaga lume, daunele provocate de fulgere implică o atenție din ce în ce mai mare.

Una dintre principalele cauze ale deteriorării turbinelor din centralele eoline este fulgerul. Domeniile de locație favorabile pentru turbinele eoliene coincid de multe ori cu domeniile de acțiune a fulgerului. Efectele directe și indirecte ale fulgerelor pot produce daune grave componentelor electrice și mecanice ale turbinelor eoliene. Turbinele eoliene au de obicei două-trei lame cu un diametru de până la 100 m sau chiar mai mult. În plus există o utilizare a materialelor compozite, cum ar fi fibra de sticlă, plasticul armat cu termopan, ca piese de încarcare. Sistemul de protecție la fulger trebuie să fie pe deplin integrat în diferite părți ale turbinelor eoliene, asigurănd ca toate componentele să reziste la impactul fulgerului. De asemenea curentul produs de fulger trebuie condus în condiții de siguranță spre punctele de prindere la sol, fără daune inacceptabile sau perturbări ale sistemelor. În ianuarie 2006 (Rodrigues și alții 2006) a apărut un document care prezintă principiile generale de protecție împotriva fulgerului, de gestionare a riscurilor, măsuri de protecție împotriva daunelor provocate de fulger a turbinelor eoliene.

Protecția sistemelor energetice eoliene prezintă aspecte care nu se percep în mod normal cu alte structuri. Aceste probleme sunt un rezultat al următoarelor caracteristici:

– turbinele eoliene sunt structuri înalte de peste 150 m înaltime;

– sunt frecvent amplasate în locații foarte expuse fulgerului ;

– componentele turbinelor eoliene sunt cele mai expuse fulgerului, cum ar fi lamele și capacele sunt adesea realizate din materiale compozite;

– lamele sunt rotative;

– curentul din fulger traversează diferite structuri spre Pământ, întrucât curentul din fulger va trece prin sau aproape toate componentele turbinei eoliene;

– turbinele din centralele eoliene sunt interconectate electric și adesea sunt plasate în condiții precare de împamantare;

Când fulgerul lovește un sistem eolian fără protecție corespunzătoare, daunele sunt de multe ori grave. Turbinele eoliene moderne sunt caracterizate nu numai prin înălțimi mari, dar și de prezența tot mai mare a controlului și monitorizării electronice. Prin urmare, proiectarea protecției împotriva fulgerului turbinelor eoliene moderne, este o probleme dificilă. Loviturile directe sau indirecte ale fulgerului pot produce daune în sistemele electrice și electronice, precum și în componentele mecanice cum ar fi lamele și lagărele. Un sistem eficient de protecție la fulger trebuie să protejeze nu numai împotriva efectelor directe ale fulgerului, dar, de asemenea, și efectelor indirecte.

2.13. Metode de evaluare a riscurilor legate de fulgere asupra Pământului

R.B. Rodrigues și colaboratorii (Rodrigues și alții, 2006) au propus o metodă ce conține măsuri de protecție adecvate pentru a reduce riscul de fulger asupra Pământului care produce urmatoarele efecte:

1-leziuni ale ființelor vii;

2-avarii la structuri și conținutul acestora;

3-defecte ale sistemelor electrice și electronice;

4-pierderi de vieți omenești;

5-pierderea serviciului public;

6-pierderea patrimoniului cultural;

7-pierderea valorilor economice;

Numărul de fulgere care influențează diferitele structuri depinde de dimensiunea și caracteristicile mediului. Probabilitatea daunelor provocate de fulgere depinde de structura și caracteristicile curentului din fulger, precum și de tipul și eficiența măsurilor de protecție aplicate. Efectele măsurilor de protecție rezultă din caracteristicile fiecarei măsuri de protecție și permite o reducere a probabilității și pierderii de consecință.

2.14. Tunetul si trăsnetul

Tunetul reprezintă un zgomot foarte puternic produs de descărcarea electrică datorită propagări undelor sonore ce apar odată cu creșterea bruscă a presiunii, în canalul de descărcare al fulgerului. Acesta se aude după fulger datorită diferențelor de viteză de propagare a luminii. Este o descărcare electrică, ce se produce în atmosferă, de cele mai multe ori, în timpul unor furtuni. Cele mai multe trăsnete se desfășoară la altitudine (între nori diferiți sau în interiorul aceluiași nor), acestea nefiind observate. Multe dintre descărcările electrice de mare amploare au loc în straturile înalte ale atmosferei. Trăsnetele care se produc între nor și Pământ po fi negative sau pozitive. Trăsnetul negativ se produce între baza norului și Pământ, în timp ce trăsnetul pozitiv se produce între partea superioară a norului și Pământ. De obicei, trăsnetele pozitive dețin o energie mult mai mare decat trăsnetele obișnuite .

În anul 1752 omul de știință Benjamin Franklin a demonstrat cu ajutorul unui zmeu de hârtie prezența unei sarcini electrice în norii de furtună (acesta a observat o încărcătura electrică a funiei umede cu care ținea zmeul dar, din fericire, nu a declanșat trăsnetul). Cercetările ulterioare au stabilit că, în norii de furtună Cumulonimbus, nori în care cu o probabilitate mare vor lua naștere trăsnete, curenții de aer repartizează inegal gheața și apa în interior. Prin frecarea straturilor norului se formează spații cu încărcătură (ionică) electrostatică negativă și pozitivă. Zona de trecere dintre regiunile cu sarcini pozitive și negative are loc la înălțime mare și temperaturi între −10°C și −15°C, aici picăturile de apă din nor transformându-se în cristale de gheață. Stratul superior al norului este în mod normal încărcat pozitiv, iar stratul inferior negativ. Aceste sarcini induc la rândul lor sarcini de semn opus la suprafața Pământului.

Prima fază a loviturii de trăsnet este o predescărcare, slab luminoasă (inițiere descendentă), care se formează la mijlocul norului și se propagă în trepte de 50 m cu o viteza de 50.000 km/secundă. Simultan cu apropierea acestei inițieri descendente, crește câmpul electric atmosferic la nivelul solului. Se observă atunci apariția spontană a unei ionizări naturale (a clădirilor) sub forma unor scurgeri electrice de culoare albastră. Acesta este efectul de vârf sau efectul Corona. Odată cu apropierea inițierii descendente de sol, ionizația datorită efectului Corona devine mai intensă până când se transformă într-o descărcare ascendentă. Aceasta este inițierea ascendentă care se dezvoltă în direcția norului.

Când aceste părți se întâlnesc se creează un canal care conduce curentul de mare intensitate: acesta este trăsnetul.

Deci fazele tipice ale unui trăsnet negativ sunt:

– Crearea inițierii principale descendente

– Producerea inițierii ascendente

– Conectarea celor două fenomene, apoi disiparea curentului prin priza de Pământ (Fig. ).

Fig. 10 Producerea trăsnetului (www.wikipedia.org)

Ionizarea naturală a unei clădiri depinde de înălțimea sa, de mediul înconjurator, structura sa etc. De aceea, de exemplu, cea mai înalta clădire – datorită calității sale de a transmite o inițiere ascendentă – este cea mai predispusă a fi lovită de trăsnet. Acest proces natural poate fi declanșat mai rapid.

Clasificarea loviturilor de trăsnet

Datorită influențelor climei temperate din țara noastră, marea majoritatea (în jur de 90%) a trăsnetelor sunt de tipul negativ descendente, deoarece baza norului, încarcată negativ, se descarcă la sol. Uneori, mai ales iarna, inițierea descendentă a trăsnetului se dezvoltă din zona încarcată pozitiv a norului: acesta este trăsnetul descendent pozitiv. Trăsnetul poate fi și ascendent pozitiv la anumite intensități ale câmpurilor electrice, sau foarte rar, ascendent negativ în funcție de încarcarea norului.

Lungimea și durata unui trăsnet-trăsnetul negativ

Descărcarea prealabilă durează 0,01 s, urmată de cea principală de numai 0,0004 s, urmată la rândul ei după o scurtă pauză (de 0,03 s – 0,05 s) de noi descărcări (în medie, 4 sau 5 descărcări principale, sau propriu zise). Au fost înregistrate peste 40 de astfel de descărcări succesive într-un trăsnet, cu un curent mediu de peste 20.000 de amperi. Datorită duratei scurte de câteva microsecunde, intensitatea curentului electric poate atinge chiar la sute de mii de amperi, iar temperatura plasmei din interior poate depăși 28.0000C. Un trăsnet poate atinge în medie o lungime de 1-2 km. În nori s-au observat foarte multe trăsnete cu lungimi de 5-7 km iar cu ajutorul radarului pentru trăsnete, au fost înregistrate unele de 140 km lungime. Energia descărcată de un trăsnet este de 500 MJ. Tensiunea unui trăsnet cu o lungime de 1 km este de aproximativ 100 milioane de volți. Sarcina totală care este descărcată într-un trăsnet este în medie de 5 coulombi. Cu o durată medie de aproximativ 30 de microsecunde, curentul mediu al unui trăsnet negativ este de aproximativ 100 000 A.

Trăsnetul pozitiv, datorită faptului că acest trăsnet descarcă sarcini pe suprafețe mai întinse și are o lungime mai mare, are o energie mult mai mare decât trăsnetul negativ. Durata și intensitatea curentului sunt de 10 ori mai mari iar energia este de aproximativ de 1000 de ori mai mare. Sarcina descărcată este de 100 ori mai mare, și prin urmare frecvența de producere este de 100 de ori mai mică comparativ cu trăsnetele negative ( aproximativ 5%).

2.15. Protecția împotriva trăsnetului

Este foarte important să știm cum să acționăm pentru a ne proteja împotriva efectelor deseori mortale ale acestuia atunci când suntem luați în surprindere de furtună. Trebuie de știut că descărcările electrice atmosferice au ca „ținte” preferate obiectele mai înalte (arbori înalți, acoperișurile unor clădiri înalte, turnuri,) precum și zonele cu conductibilitate electrică ridicată. De exemplu, solurile argiloase sunt mai des lovite de trăsnet decât cele nisipoase sau pietroase. Arborii cu esență lemnoasă mai bogată în apă (plopul, salcia, bradul, etc.) pot fi mai ușor loviți de trăsnet în comparație cu alții (fag, stejar, carpen, etc.). Pentru a nu fi loviți de trăsnet atunci când suntem surprinși de furtună în aer liber, este necesar să respectăm următoarele:

– prima măsură va fi închiderea ușilor și a ferestrelor, pentru a evita formarea de curenți în interiorul locuinței;

– nu trebuie căutat adăpost sub copacii înalți izolați sau alte structuri similare, precum și

lângă căpițe de fân izolate;

– trebuie evitată apropierea de apă;

– în pădure, trebuie căutat adăpost sub arbuști scunzi sau sub un pâlc de copaci de aceeași înălțime.

– aparatele electrocasnice trebuie scoase din priză;

– trebuie evitată plaja sau locurile deschise;

– în cazul în care sunteți surprinși de furtună în loc deschis, stați jos ghemuit;

– este nevoie să vă îndepărtați de obiectele metalice;

Instalațiile cu conexiuni exterioare se protejează împotriva loviturilor directe de trăsnet de pe teritoriul stației cu ajutorul paratrăsnetelor. Un paratrăsnet se compune din trei părți principale :

captatorul loviturii de trăsnet este confeționat din material conductor ;

conductorul de legatură între captator și priza de Pământ, care permite trecerea curentului de trăsnet în Pâmant;

priza de Pământ a paratrăsnetului;

După tipul captatorului, paratrăsnetele pot fi: paratrăsnete verticale sau pivot (Franklin) și paratrăsnete orizontale de suprafață. La un paratrăsnet vertical captatorul se amplasează în poziție verticală, iar la un paratrăsnet orizontal captatorul se amplasează în poziție orizontală, fiind un fir de protecție amplasată deasupra instalației.

În mod obișnuit protecția instalațiilor de conexiuni exterioare ale stațiilor electrice împotriva loviturilor directe de trăsnet se realizează cu ajutorul paratrăsnetelor verticale. Captatorul acestora este realizat dintr-o țeavă de oțel zincat, terminată cu o tijă metalică de captare. Captatorul paratrăsnetului vertical se poate monta fie pe un stâlp propriu, fie pe cadrele sau suporții de suținere ai căilor de curenți din instalație. Stâlpii proprii ai paratrăsnetelor verticale sunt în mod obișnuit din beton armat sau oțel. La noi în țară stâlpii de beton armat și paratrăsnetelor verticale sunt normalizați, înaltimea totală a stâlpului împreuna cu captatorul fiind de 25m. Dacă se cer înălțimi foarte mari pentru amplasarea captatorului atunci stâlpii suporți ai paratrăsnetelor verticale vor fi din oțel.

Paratrăsnetul cu dispozitiv de amorsare este o soluție eficientă de protecție împotriva trăsnetului, asigurând raze mari de protecție a construcțiilor sau spațiilor deschise. Paratrăsnetele sunt fabricate din inox având o durată de viață foarte mare.

2.16. Efectul fenomenelor orajoase (tunetul, trăznetul) în declanșarea alunecărilor de teren (Studiu de caz)

Fenomenele climatice din 20 iunie 2006, în bazinul superior al Văii Ilișua, afluent pe dreaptă a râului Someșul Mare, au generat, pe lângă inundații catastrofale cu victime umane și pierderi materiale imense, alunecări de teren, torenți, și eroziunea solului. Alunecările de teren și torentii au fost declanșate de tunete și fulgere însoțite de ploi abundente. Norii de joasă altitudine prin intermediul tunetelor și fulgerelor au generat vibrații intense, ceea ce a dus la la alunecări de teren. Contextul climatic aflat la originea acestor procese este dat de precipitațiile abundente (cca 100-120 L /m2) căzute într-un interval temporal extrem de scurt (2 ore) în data sus menționată, fapt care a diminuat capacitatea de absorbție a substratului și a mărit volumul de apa scursă de pe versanți. Ea a determinat creșteri majore și bruște a debitelor pe zonele de scurgere și activarea unor torenți fără scurgere .Vegetația și, în special pădurile, ce acoperă peste 40 % din teritoriul analizat, au un rol major în reținerea apei dar și în fixarea solului și a materialelor din perimetrul versanților, dar în ultimii ani versanții nu au mai fost cultivați ceea ce a favorizat procesele erozionale. În acest context climatic extrem, precipitații abundente într-un interval de timp extrem de scurt,s-au produs aceste alunecări de teren produse care au la origine fenomenele orajoase, tunetul si trăznetul.

Un alt caz raportat este cel din 20 iunie 2006 din comuna Zagra. Fenomenul a debutat cu o ploaie obișnuită care a saturat solul. Intensificarea ploii sub formă de aversă în condițiile solului deja îmbibat cu apă, a făcut ca apa să se scurga pe versanți . Un alt doilea aspect, îl constituie altitudinea norilor din perioada averse, poziția joasă a plafonului de nori reducând aria de disipare a energiei. La Tarlisua, în după-amiaza zilei de 20 iunie 2006, evoluția plafonului de nori la altitudini extrem de scăzute, a determinat, în condițiile unor fenomene orajoase intense, o restrângere deosebită a spațiului de disipare a energiei (Fig. 1).

Fig.11. Alunecări și curgeri noroioase pe versantul drept al Văii Lunga (http://geo.unibuc.ro/revista_geomorfo/volumul8_files/13revistageomorfo8cocean.pdf )

Într-un astfel de context meteorologic, efectul produs de către tunete și trăznete a fost deosebit de pregnant, fiind la rândul său amplificat de forma de pâlnie a profilului văii din figură. Vibrațiile directe și reflectate produse de tunete și trăznete într-un spațiu restrâns, delimitat de plafonul de nori extrem de jos și liniile celor doi versanți ai văilor, s-au constituit, în factori de destabilizare a echilibrului versantului, a stabilității sale, declanșând, în condiții de suprasaturare cu apă a stratului superficial, deplasarea materialelor componente. Astfel de fenomenele asociate averselor se pot produce versanților cu înclinări de peste 15 0-200.

În Fig.2 sunt prezentate torentele care se scurg pe versațti și alunecările de teren în timpul aversei de la Tarlisua.

Fig. 12 Fenomenul de disipare a energiei la Tarlisua (http://geo.unibuc.ro/revista_geomorfo/volumul8_files/13revistageomorfo8cocean.pdf )

Fenomenele orajoase, constituie un factor genetic al alunecărilor de teren. Efectul acțiunii lor este cel de destabilizare a echilibrului versanților ceea ce va produce procese de remodelare ulterioară a solului. Pe langă rolul lor de remodelare a reliefului, alunecările de teren generează cantități mari de sol, bolovani, copaci care au provocat distrugerea totală a 23 de gospodării și afectarea altor 480 în comuna Tarlisua, distrugerea liniei de alimentare cu energie electrică, etc.

2.17. Efectele electricității atmosferice asupra mediului

Principalele efecte ale electricității atmosferice asupra mediului, se datorează (Golovanov și alții, 2000) :

descărcărilor electrice atmosferice dintre nori și pământ;

efectelor luminoase determinate de generarea fulgerelor, în cadrul aceluiași nor sau între nori diferiți;

efectelor luminoase generate de descărcările corona în zonele de munte sau deal cu sau fără fond forestier;

Multe dintre consecințele directe sau indirecte sunt determinate de câmpul electric determinat de descărcarea electrică. Dacă pe timp senin, intensitatea câmpului electric la sol, determinat de sarcina electrică negativă a Pământului este de aproximativ 120-130 V/m, în timpul descărcărilor electrice câmpul electric la sol poate atinge valori de circa 100 de ori mai mari. Norul, care poate determina descărcările electrice este Cumulonimbus.

În cazul, în care, norul încărcat electric, se află la o înălțime redusă în raport cu solul sau în cazul zonelor muntoase, intensitatea câmpului electric la sol, poate să atingă valori până la 100 kV/m, astfel că câmpul electric foarte intens, poate determina apariția unor fenomene de descărcare electrică observabile sub forma unor egrete luminoase. Aceste descărcări, sunt cunoscute sub numele de focurile “Sfântului Elm”. O formă specială a descărcării sub formă de trăsnet, o reprezintă trăsnetul GLOBULAR.

efectul termic al descărcării. Efectul termic al descărcării la materialele cu structură metalică, este materializat prin încălzire sau prin topirea structurilor lovite. Atunci când fulgerul lovește structuri cu conductivitate redusă (copaci, stâlpi din lemn, structuri din cărămidă etc.), determină fenomene de încălzire locală și de evaporarea bruscă a apei; în cazul în care sunt loviți arbori, trăsnetul parcurge partea umedă (cu conductibilitate ridicată) a structurii acestora; în solurile cu rezistență electrică mare (nisip cuarțos) se generează topirea nisipului (se formează sticlă) în punctul de impact al trăsnetului; efectul termic al descărcării sub formă de trăsnet, la lovirea unor materiale combustibile (fân, paie, arbori etc.) poate produce aprinderea lor doar dacă, descărcarea este de mică intensitate, dar de durată mare. Aceste fenomene sunt însoțite de importante perturbații electromagnetice, cu influențe negative asupra sistemelor de transfer a informațiilor prin radio

undelor mecanice ( tunete) generate de descărcările electrice atmosferice

Trecerea curentului electric prin corpul uman este însoțit de fenomene ale căror efecte se manisfestă sub diverse forme. Efectele curentului electric asupra omului sunt: (Popescu și colab, 2005 ).

– calorice, manifestate prin arsuri. Arsurile, apar în general datorită dezvoltării unor temperaturi foarte mari în arcul electric; metalizarea pielii se produce datorită pătrunderii în tegument a stropilor de metal topit;

– mecanice, manifestate prin ruperea țesuturilor , lezarea vaselor sanguine;

– biologice, prin alterarea proceselor metabolice caracteristice materiei vii;

– chimice, prin electroliza sângelui;

Intensitatea curentului electric a cărui limită de suportabilitate a fost stabilită experimental și care se consideră ca fiind fără pericol, este de:

– 50 mA, în cazul curentului continuu;

– 10 mA, în cazul curentului alternativ de frecvență 50 Hz;

Sensibilitatea factorului uman față de curentul electric, diferă de la o persoană la alta iar femeile și copii sunt mai sensibili. Intensitatea de prag pentru aceste categorii de persoane este mai redusă cu 30 % în raport cu intensitatea de prag specifică pentru bărbați.

Fenomenele care au loc în oraganism, ca urmare a trecerii curentului electric, sunt reprezentate prin tulburări cardiace, dereglări ale sistemului nervos, etc produse de șocul electric. Sub acțiunea curentului electric se generează contracții ale mușchiului inimii, situație în care inima intră în fibrilație. Curentul electric acționează asupra centrilor sistemului nervos central care comandă circulația sanguină și respirația, situație care conduce la compromiterea funcționării normale a inimii sau la oprirea respirației.

Inima este un dipol electric și în mușchiul inimii se induce în mod permanent, o variație de potențial necesară funcționării normale. Inima își creează propriul stimul prin contracții și dilatări fiind un organ autoexcitabil. Frecvența bătăilor inimii variază între 1,1 Hz și 1,3 Hz. La trecerea curentului electric prin organism, inima primește o anumită diferență de potențial; dacă curentul electric depășește o anumită intensitate, și variația acestuia atinge o anumită pantă, mușchiul tinde să se contracte. Aceasta contrație se adaugă contracțiilor naturale ale inimii și, ca rezultat al acestui efect, sistemul de comandă și de propagare a excitațiilor poate fi perturbat, generând funcționarea anormală a inimii. Formele de manifestare a fenomenelor determinate de trecerea curentului electric prin organism depind de frecvența și de natura curentului. Curentul electric alternativ, generează tulburări cardiace și respiratorii la tensiuni de 70 V spre deosebire de curentul continuu pentru care aceste fenomene apar abia la valori de 120-140 V. Valorile de frecvență care prezintă cele mai mari riscuri/pericole pentru organismul uman sunt cuprinse în intervalul 50-100 Hz.

Capitolul 3. Ionosfera și prevederea cutremurelor

Procesele electrice din atmosfera și ionosfera

Studiul realizat de Michael J.Rycroft ( Rycroft,2006) a arătat că există nenumărate aspecte legate de înțelegerea fenomenelor atmosferice din ionosfera așa cum sunt următoarele:

Ionosfera, partea superioară al condensatorului determinat de circuitul electric atmosferic global, este, asociată cu furtuni de convecție.

Descărcările apar, în unele momente,în timpul unor tipuri de furtuni .

Se pune întrebarea dacă fenomenele atmosferice care generează și transferă sarcini electrice pot fi mai bine cuantificate.

Care sunt mecanismele de producere a descărcărilor electrice.

Cât de mult desăarcările pozitive nor-sol produse de furtuni descarcă circuitul global ?

Cât de mult descărcările care produc fenomeme luminoase schimbă potențialul ionosferic local, modifică câmpul electric în apropierea suprafeței Pământului , sau descarcă circuitul global?

De ce, și cât de des, descărcările unui nor apar în partea inferioară a ionosferei și ce fac ele circuitului global ?

Care este importanța relativă a undelor gravitaționale (cu perioade de 300 s pana la 600 s ) și a undelor infrasonice (cu perioade de 0.3 s ) în modificarea mezosferei la altitudini care apar descărcările însoțite de fenomene luminoase.

Furtunile ionosferice

Răspunsurile densității termosferice și ionosferice la furtuna magnetică F2 din 17-20 aprilie au fost analizate folosind datele de la ionosonde și au fost propuse modele pentru a simula și explica aceste proprietăți. Furtunile geomagnetice afectează densitatea electronilor din ionosferă fie prin creștere sau descreștere, acest fenomen numindu-se “furtună ionosferică”. Cel mai important parametru este frecvența critică F care este afectată de schimbările din termosferă ,de temperatură , vânturi și câmp electric .

Densitatea de electroni din ionosferă este controlată de fluxul total al radiației solare, compoziția termosferei, temperatură, modificarea plasmei fiind legată de câmpul electric generat. Conform teoriei generale, regiunea ionosferică F2 depinde de raportul ( [N2] și [O]) a aerului înconjurător și de energia de ionizare. Scăderea densității oxigenului atomic reduce producția de ioni din ionosferă ceea ce face ca densitatea de electroni din ionofera sa scadă (Fang și alții, 2002).

3.3 . Legatura între cutremur și ionosferă

Unele fenomeme din ionosfera pot fi folosite pentru prevederea cutremurelor , unul din fenomenele care produc cele mai mari dezastre în lume. Modificările electricității atmosferice pot fi una dintre posibilele efecte pentru prevederea cutremurelor (de exemplu, s-a observat o scădere a potențialului electric al Pămânatului cu 100 V/ m în apropierea cutremurelor). De asemenea s-a înregistrat o creștere a conținutului de radon care produce ionizarea aerului înaintea unui cutremur din Japonia în anul 1995 (Harrison și alții, 2010). O creștere a conductivității electrice a aerului datorată emisiilor de radon, poate conduce la scăderea gradientului de potențial al Pămăntului.

R.G. Harrison și colaboratorii (Harrison și alții, 2010) au propus un model de analiză a proprietăților ionosferei pentru a face o legatură între acestea și cutremurele de Pământ. Modelul autorilor se bazează pe creșterea conductivității electrice a aerului deasupra suprafeței unde se produce un cutremur, care reduce rezistența electrică a ionosferei. Aceasta creștere a conductivității produce o creștere a curentului față de cel normal și reduce ionosfera ( Fig ).

Fig.16 Modelul modificării conductivității aerului între ionosfera și suprafața Pământului (Harrison și alții, 2010).

Autorii au investigat modificările frecvenței undelor radio de joasă frecvență observate în ionosfera superioară de către satelitul DEMETER în timpul nopții, dinaintea cutremurelor mari. Modificările în ionizarea produsă de radon modifică propritățile electricității atmosferei și propritățile ionosferei inferioare. Faptul că modificarea conținutul de radon înaintea cutremurului reduce ionosfera este reprezentat prin variația frecvenței de tăiere în funcție de înaltime ( Fig ).

Fig. 17 Frecvența de tăiere în funcție de înalțimea ionosferei (T. Ondoh si alții)

T. Ondoh (Ondoh, 2009) a analizat fenomene din ionosferă , atmosferă și apa subteranaă care se produc înaintea unor cutremure cu magnitudinea ( M >65 ). Ei au obținut că în apa suberană concentrația de radon începe să se schimbe cu aproximativ doua luni înainte de cutremur. Conținutul de radon descrește apoi la un minim și apoi crește rapid la un maxim cu două zile înainte de cutremur. Deoarece concentrația de radon în apa și atmosferă este invers proporțională cu temperatura apei și aerului, descreșterea rapidă a concentrației de radon în apa subterană către minim, sugerează faptul că există un aport de materie fierbinte ( asa cum este magma în cazul vulcanilor). Cresterea concentrației de radon este cauzată de o interacțiune a materiei fierbinți cu vecinătatea crustei care e mai rece. Când presiunea și bilanțul tensiunuilor între apa subterană și crustă se strică rocile se sparg și se produce cutremurul.

Savanții din cadrul NASA afirmă că sunt pe cale sa realizeze un nou dispozitiv capabil să avertizeze în timp util producerea cutremurelor (http://www.descopera.ro/dnews/2696583-ionosfera-avertizeaza-in-caz-de-cutremure). Acesta ar avea la baza studierea continuă a activității ionosferei. Cercetătorii spun că au descoperit o legatură evidentă între fenomenele electrice din atmosfera Terrei și cutremurele iminente din scorța terestră. Un astfel de semnal a fost dat în imediata declanșare a cutremurului recent care a devastat mai multe provincii din China. Oamenii de știință rămân însa sceptici în fața acestei noi ipoteze, însa Minoru Freund, fizician și director al NASA’s Ames Research Center din California declară pentru BBC: “Cred că putem stabili o legatură între cutremurele de Pământ și unele fenomene atmosferice. Sunt optimist pentru că mai avem de efectuat doar câteva teste care vor certifica odată pentru totdeuna acestă ipoteză”. Studiile sale au vizat în primul rând fenomenele din ionosfera, un strat distinct de atmosfera Terrei, în mare parte datorită încărcăturii sale electrice datorată expunerii la radiațiilesolare.
S-au observat sateliți care au înregistrat modificări ale ionosferei la înalțimi de 100 până la 600 de kilometri, numai asupra zonelor lovite de cutremure.

Posibila legatură între modificările ionosferei și cutremure este analizată de Gousheva și colaboratorii (Gousheva și alții, 2008). Pe baza înregistrărilor realizate de satelitul INTERCOSMOS-Bulgaria-1300, Shmyrev și colaboratorii au observat o creștere anormală de 3-7 mV / m în componenta verticală a câmpului electric cvasi-static în ionosfera înainte cu 15 minute de un cutremur de M = 4.8. O corelație între distribuția globală a activității seismice și variația densitatii de ioni din ionosferă fusese propusă de Hayakawa și colaboratorii .Si alți autori au legat activitatatea seismică de câmpul electric din atmosferă .

Gousheva și colaboratorii au observat unele anomalii în ionosfeăa de la latitudini mijlocii în regiuni unde s-au produs cutremure. Anomaliile observate în domeniul câmpului electric cvasistatic sunt reprezentate de o creștere a componentei verticale și orizontale a câmpului electric cvasistatic de aproximativ 2- 25 mV / m în perioada cuprinsă între 30 min și 44 h înainte și după unele cutremure moderate. Pot fi observate de asemenea modificări ale densității de ioni deasupra regiunii unde se înregistrează cutremurele ( fig ).

Fig. 18 Modificările componentelor cîmpului electric al ionosferei în timpul producerii cutremurelor (Gousheva și alții, 2008).

Autorii au arătat că perturbațiile câmpului electric înainte de un cutremur pot atinge valori de până la 10-20-25 mV / m, dar și ca perturbații de aceeași mărime se pot obține și după cutremur. Rezultatele prezentate de autori sunt legate de cutremurele moderate care apar în ocean sau de-a lungul unei plăci de contact oceanice și continentale. Rezultatele obținute consolidează studiile anterioare și ar putea fi incluse în complexul fenomenelor utilizate pentru prognoză și analiză seismică.

Fluctuatii în ionosferă relatate în timpul cutremurelor din septembrie 2004 în Japonia de sateliții DEMETER și CHAMP

Investigații posibile din ionosferă în timpul cutremurelor mari au fost realizate de sateliții Demeter și CHAMP. S-au constatat perturbări în ionosferă în conexiune cu cutremurele mari (marimea 7,2 la 7,4) care au avut loc în septembrie 2004 în Japonia. Datele produse de sateliți au fost prelucrate statistic și comparate cu un model empiric. Rezultatele au arătat o fluctuație în densitatea de electroni deasupra epicentrului cu aproximativ două săptămâni înainte de principalele cutremure. Sondajele de vreme și ale activității geomagnetice sugerează că aceste fluctuații nu au fost cauzate de schimbările de condițiile din spațiu sau de furtunile geomagnetice . În plus, s-au obținut date ce vizează temperatura ionilor și reducerea densității ionului de O+ în jurul epicentrului cu o săptămână înainte de principalele cutremure. Caracteristicile au fost evidente atunci când datele au fost comparate cu cele înregistrate în locuri mai îndepărtate de epicentru. Anomaliile produse în plasmă au dispărut după 2 săptămâni de la producerea cutremurelor.

Din analiza datelor celor doi sateliți se pot trage următoarele concluzii:

1.Densitatea electronilor măsurată deasupra epicentrului a fost redusă;

2.Creșterea temperaturii ionilor și a densității ionilor de O+ înregistrată;

3.Modificarea densității plasmei și compoziției ionilor în apropierea epicentrului;

3.5. Concentrația maximului de electroni și totalul de electroni conținuți în ionosferă peste Conception în Chile înainte de cutremurul din 27 februarie 2010

Variabilitatea parametrilor ionosferei observată înainte de cutremure a fost studiată timp de mai multe decenii. În multe dintre studii s-au identificat niște parametrii ionosferici înainte de producerea unor cutremure mari, cu scopul de a se găsi o legătură între acești parametrii și producerea cutremurelor. Ovalle și colaboratorii (Ovalle și alții, 2013) au analizat maximul concentrației de electroni și conținutul total de electroni (TCE) în regiunea Concepcion (36,8 0S; 73,0 0W) din Chile unde s-a produs cutremurul din 27 februarie 2010, cu mărimea de 8,8.

Autorii au facut comparații cu rezultatele altor cercetători, publicate înainte de cutremurele din Taiwan, Japonia și Rusia. Posibilii parametrii ai conținutului total de electroni și NmF2 sunt comparați cu alți parametrii propuși pentru același cutremur folosind diferite determinări ale conținutului total de electroni și observațiile prin satelit ale concentrației electronilor și ionilor, exploziile particulelor de mare energie și emisiile electromagnetice. Analizele acestor parametrii ionosferici, se realizează cu câteva ore sau zile înainte de cutremur cu scopul de a găsi o asociere între parametrii ionosferei și activitatea seismică cunoscându-se ca posibilitatea identificării unor variații ale parametrilor ionosferei este dificilă. Determinarea parametrilor ionosferei și dezvoltarea de tehnici pentru o cât mai bună utilizare practică ar putea produce avertismente pentru un termen foarte scurt (minute). Le și colaboratorii ( citat de Ovalle și alții 2013) au analizat conținutul total de electroni pentru 736 de cutremure cu magnitudinea mai mare de 6 și distanță mai mică de 40 km în perioada 2002-2010. Frecvența apariției unor zile anormale ( cu valori mai mari sau mai mici ale conținutului total de electroni ) pentru un anumit tip de cutremur ( mărime și depărtare) a crescut cu magnitudinea, scăderea distanței fără de epicentrul și a fost corelată cu data cutremurului. Raportul între frecvența de apariție a zilelor anormale în apropierea cutremurului și cele anormale în zile depărtate de data cutremurului a fost semnificativ mai mare decat 1, în particular pentru cutremurele de magnitudine mai mare de 7 și depărtare mai mică de 20 km și câteva zile înainte de cutremur.

3.6. Emisiile electromagnetice detectate în ionosfera inferioara legate de activitatea umană

Rothkaehl și Parrot , (Rothkaehl și Parrot, 2005) au analizat modificările caracteristicilor plasmei din partea superioară a ionosferei înregistrate de doi sateliți orbitali. Au fost înregistrate interacțiunea unde-particule din plasmă, modificarea frecvenței undelor în plasmă atât pentru unde de înaltă frecvență ( HF) cât și pentru unde de frecvență foarte joasă (VLF). Autorii arată pe baza acestor date că se pot produce modificări în frecvențele VLF și HF de activitatea umană. Calitatea semnalelor trimise în spațiu poate fi perturbată de neregularitățile și instabilitățile ionosferei care produc variații de fază și amplitudine în semnalul recepționat, ceea ce crează dificulăți în realizarea comunicațiilor.

Fig.19 Modicarea intensității semnalului din ionosferă în funcție de frecvență

Efectul activității umane este reprezentat de maximele din spectrul prezentat în figură ; activitatea umană crește nivelul radiației de fond în tot domeniul frecvențelor folosite.

Concluzii

1. Cercetarea fenomenelor fizice din atmosfera înalta este o temă de interes atât din punct de vedere al cunoașterii caractersiticilor atmosferei cât și din punct de vedere al efectului acesteia asupra mediului.

2. Fenomenele din atmosfera înalta modifică parametrii atmosferici de la suprafața solului și influențează puternic activitatea și sănătatea oamenilor .

3. Aurorele polare influențează liniile de curent și comunicațiile.

4. Studiile efectuate în spațiu arată că exista probabilitatea inducerii fosfenelor de particulele energetice produse de fulger ceea ce ar putea produce efecte negative in domeniul comunicatiilor.

5. Activitatea solară maximă, care se realizează cu un ciclu de circa 11 ani, determină o amplificare a bolilor cardiovasculare, în special a infarctului cardiac și cerebral.

6. Electricitatea atmosferică care se manifestă în special prin fulger și trăsnet are efecte negative asupra oamenilor: arsuri ale unor organe, cataracta, perforarea unor organe, etc.

7. Fulgerul și trăsnetul pot avea de asemenea efecte negative asupra mediului : alunecări de teren, distrugerea unor instalații de la centralele eoliene, distrugerea unor clădiri, distrugerea arborilor etc.

8. Consideram ca folosirea electricității atmosferice este una din metodele cele mai nepoluante si in acelasi timp cele mai mari surse de energie electrica, in prezent neexploatata.

9. Posibila legatură între caracteristicile ionosferei și cutremure sugereaza posibilitatea prevederii cutremurelor in viitor, ceea ce ar salva multe vieti omenesti si pagube materiale.

BIBLIOGRAFIE

Ashesh Gunwantrao Wankhede., Dinesh R. Sariya., Damage due to lightning when it strikes the face, Forensic Science International, 224, 2013. e1-e3

Aslan S., Aydinli B., Ocak T., Akcay M., Lightning: an unusual etiology of gastrointestinal perforation, Burns 31, 2005, 237–239

Cherington M., Yarnell P.R., London S.F., Neurologic complications of lightning injuries, 162, 1995, 413-41 7

Cooray V., Cooray C .,. Andrews C.J., Lightning caused injuries in humans, Journal of Electrostatics, 65 , 2007, 386–394

Cooray V., Cooray G., Dwyer J., On the possibility of phosphenes being generated by the energetic radiation from lightning flashes and thunderstorms., Physics Letters A, 2011, 3704–3709

Dehel T., Lorge F., Dickinson M., Uplift of microorganisms by electric fields above thunderstorms, Journal of Electrostatics, 66, 2008, 463-466

Dwyer J.R., Martin A. Uman., The physics of lightning, Physics Reports,534, 2014, 147–241

Fang H. , Weng L., Sheng Z., Variations in the thermosphere and ionosphere response to the 17–20 April 2002 geomagnetic storms, Advances in Space Research 49 ,2012, 1529–1536

Farges T. , Blanc E., Lightning and TLE electric fields and their impact on the ionosphere, Comptes Rendues Physique , 12, 2011,171-179

Garcıa Gutierrez J.J., Melendez J., Torrero J.V., Obregon O., Uceda M., Gabilondo F.J., Lightning injuries in a pregnant woman: a case report and review of the literature, Burns 31, 2005, 1045–1049

Golovanov, N., Popescu, G., Dumitrana, T., Coatu, S., Evaluarea riscurilor generate de descărcări electrostatice, Editura tehnică, București, 2000, http://stiintasiinginerie.ro/wp-content/uploads/2013/12/23-53-DESC%C4%82RC%C4%82RI-SUB-FORM%C4%82-DE-TR%C4%82SNET..pdf

Gousheva M.N., Glavcheva R.P., Danov D.L., Hristov P.L., Kirov B.B., Georgieva K.Y., Electric field and ion density anomalies in the mid latitude ionosphere: Possible connection with earthquakes? Advances in Space Research 42 ,2008, 206–212

Harrison R.G., Aplin K.L., Rycroft M.J., Atmospheric electricity coupling between earthquake regions and the ionosphere, Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics 72, 2010, 376–381

http://geo.unibuc.ro/revista_geomorfo/volumul8_files/13revistageomorfo8cocean.pdf

http://www.agriculture.purdue.edu/fnr/ index.html

http://www.pdac.ca/docs/default-source/public-affairs/health-safety–resources–lightning.pdf?sfvrsn=6

http://www.sier.ro/SIER_ASRO_articol_protectia_impotriva_trasnetului.pdf

Ionosfera avertizeaza in caz de cutremure

Livingston W., Lynch D. K. Colour and Light in Nature, University Press, , Cambridge, U.K.; 1995 Ed. II, Cambridge

Nelson S.C., Lightning Injury to Plants ,Plant Disease ,40, 2008 ,1-5

Oancea S., Despre atmosfera , vreme si clima ,Editura Pim, Iasi , 2010

Ondoh T., Investigation of precursory phenomena in the ionosphere , atmosphere and groundwater before large earthquakes of M MAI MARE 6.5, Advances in Spaces Research, 43 , 2009, 214-223

Ovalle E.M., Bravo a M.A., Villalobos C.U., Foppiano A.J., Maximum electron concentration and total electron content of the ionosphere over Concepcion, Chile, prior to the 27 February 2010 earthquake, Advances in Space Research 52, 2013, 1274–1288

Peer J. Kendl A.,Transcranial stimulability of phosphenes by long lightning electromagnetic pulses, Physics Letters A, Volume 374, (28, 29) 2010, 2932-2935

Popescu E.D., S., Benga, M., Darie, E., Popescu, G., Efecte fiziologice și riscul de fibrilație la trecerea curentului electric prin corpul uman, Conferința Națională cu participare Internațională “Instalații pentru construcții și confortul ambiental”, ediția a 14-a, 14-15 aprilie 2005, Timișoara, Editura Politehnica Timișoara, 2005, http://stiintasiinginerie.ro/wp-content/uploads/2013/12/23-53-DESC%C4%82RC%C4%82RI-SUB-FORM%C4%82-DE-TR%C4%82SNET..pdf

Popescu G., Darie E., Riscuri/pericole determinate de descărcările sub formă de trăsnet, Buletinul Pompierilor, 2, 2009, http://stiintasiinginerie.ro/wp-content/uploads/2013/12/23-53-DESC%C4%82RC%C4%82RI-SUB-FORM%C4%82-DE-TR%C4%82SNET..pdf

Rodrigues R.B., Mendes V.M.F., Catalão J.P.S., A Case Study of Risk Analysis due to Lightning for Wind Power Plants, www.icrepq.com/icrepq-08/332-rodrigues.pdf

Rothkaehl H.,Parrot M., Electromagnetic emissions detected in the topside ionosphere related to the human activity, Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 67 ,2005, 821–828

Ruiz D., Torralba C., Marco P.H., Calzada I.O. , Pomar V.N., Polo S., LloveraP., Fuster V., Magraner F., A new concept in lightning parameters measurement, Journal of Electrostatics 67, 2009, 496–500

Rycroft M.J., Electrical processes coupling the atmosphere and ionosphere, Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics 68 ,2006, 445–456

Ryu K., Chae J-S., Lee E., Parrot M., Fluctuations in the ionosphere related to Honshu Twin Large Earthquakes of September 2004 observed by the DEMETER and CHAMP satellites, Journal ofAtmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 121, 2014, 110–122

Vencloviene J., Babarskiene R., Milvidaite I., Kubilius R., Stasionyte J., The effect of solar–geomagnetic activity during hospital admission on coronary events within 1 year in patients with acute coronary syndromes, Advances in Space Research 52, 2013, 2192–2198

Wankhede A.G., Sariya D.R., Damage due to lightning when it strikes the face, Forensic Science International, 224, 2013, e1–e3

http://www.meteo.md/hazard/oraje.htm

www.wikipedia.ro/

www.sibiul.ro

Zack F., Rothschild A. M. , Wegener R., Lightning Strike-Mechanisms of Energy Transfer, Cause of Death, Types of Injury, 104(51–52):A, 2007, 3545–3549