Na pierwszy rzut oka wydaje się, że granica między fizyką a metafizyką jest wyraźna. A jednak świat nie chce być czarno-biały. Co począć, na przykład, ze zjawiskiem, które wciąż wielu ludzi uważa za złudzenie optyczne, a inni za czysty wymysł? Wbrew pozorom, mowa nie o UFO, a o… piorunie kulistym.

 

W końcu XVIII w. sławna Akademia Francuska nie chciała uwierzyć w kamienie spadające z nieba, znajdowane na polach przez wieśniaków. Dziś meteoryty nikogo już nie dziwią. Jednak obecnie fizyka stoi przed podobnym dylematem i znów zagrożenie przychodzi „z góry”.

Niby bowiem piorun kulisty zasługuje na miano zjawiska fizycznego, ale sęk w tym, że nie istnieje teoria, która potrafiłaby raz na zawsze wyjaśnić jego cechy i mechanizm powstawania. Pioruny „zwykłe” nazywane są liniowymi. Powstają w szczególnych warunkach atmosferycznych. Niezbędne jest silne pole elektryczne w atmosferze. Aby mogło się ono wytworzyć, wewnątrz chmury burzowej, między sąsiednimi chmurami lub pomiędzy chmurą a powierzchnią ziemi musi powstać różnica potencjałów. Kiedy ładunek elektryczny chmury osiągnie pewną wartość, następuje wyładowanie elektryczne, czyli – uderzenie pioruna. Widocznym efektem tego jest błyskawica.

Prąd elektryczny, powstający podczas wyładowania, może mieć natężenie kilkunastu tysięcy amperów. Jednak energia pioruna jest stosunkowo mała, z powodu krótkotrwałości zjawiska.

Niekiedy piorun liniowy składa się na przemian z odcinków jasnych i ciemnych, wyglądając jak sznur pereł (stąd jego nazwa: piorun perełkowy lub paciorkowy). Część uczonych uważa, że owe jaśniejsze odcinki to nic innego, jak pioruny kuliste. Stąd ogólniejszy wniosek, iż pioruny kuliste mogą być oderwanymi fragmentami pioruna liniowego.

Uderzeniu pioruna towarzyszy grzmot. Jest on wynikiem eksplozyjnego rozszerzania się powietrza pod wpływem bardzo wysokiej temperatury wyładowania. Ciśnienie gwałtownie wzrasta i powstaje dźwiękowa fala uderzeniowa. Osiąga ona prędkość około 340 metrów na sekundę, można więc na jej podstawie obliczyć odległość od burzy. Przyjmuje się, że jeśli pomiędzy błyskawicą a grzmotem upłyną trzy sekundy, to odległość od burzy wynosi jeden kilometr.

W każdej sekundzie w powierzchnię Ziemi uderza kilkadziesiąt błyskawic, będących wynikiem dwóch tysięcy burz, szalejących jednocześnie na naszym globie. Rocznie liczba piorunów sięga miliarda. Codziennie ginie za ich przyczyną 20 osób, a dalszych 80 ulega porażeniu.

Kulista zjawa

Świadkowie opisują piorun kulisty jako jasną, choć nie oślepiającą kulę, płynącą w powietrzu, niekiedy rozpadającą się na mniejsze cząstki, przenikającą przez ściany, szyby itp. Ale to wyliczenie jest mylące – piorun kulisty jest zjawiskiem znacznie bardziej skomplikowanym. Przede wszystkim zmienna jest jego wielkość, co wprawia fizyków w szczególną konfuzję – może mieć średnicę od jednego centymetra do kilku metrów. Najczęściej widuje się kule wielkości mandarynki lub piłki do koszykówki. Barwa przeważnie jest czerwona lub żółta, ale może być też biała, zielona bądź błękitna. Piorun kulisty porusza się najczęściej tuż nad ziemią, ale widywany był też w samolotach lecących na dużej wysokości. Może przyspieszać, gwałtownie skręcać, zawisać w miejscu. Czasami jego rozpadnięciu się towarzyszy głośny grzmot, czasami zaś znika w zupełnej ciszy. I wreszcie cecha, która również wprawia fizyków w konsternację – trwałość pioruna kulistego wynosi od kilku sekund do kilku minut. Jeśli dodać do tego umiejętność przenikania przez szyby, przeciskania się przez dziurki od klucza czy szpary pod drzwiami, otrzymujemy obraz zjawiska, które po prostu nie ma prawa istnieć.

Choć opisy obserwacji piorunów kulistych można znaleźć już w pismach starożytnych uczonych bądź twórców, pierwsze wiarygodne doniesienia pochodzą sprzed 250 lat i wiążą się z tragicznymi wypadkami. W roku 1753 pewien rosyjski fizyk został porażony przez kulę wielkości pomarańczy, kiedy w czasie burzy próbował uzyskać wyładowania z metalowego pręta. Doświadczenia takie były wówczas modne, aczkolwiek ryzykowne, a zapoczątkował je wynalazca piorunochronu, Benjamin Franklin.

Nieco wcześniej, w 1724 r., kula ognista wielkości pięści wpadła z szumem do komnat Zamku Królewskiego w Warszawie. Tam wybuchła, ogłuszając trzech królewskich kancelistów i napełniając pokoje dymem.

Znacznie groźniejszy wypadek zdarzył się w 1711 r. w niemieckim Solingen. W tamtejszym kościele wybuchła ognista kula, zabijając 3 osoby i raniąc ponad 100. Do jeszcze większej tragedii doszło w 1789 r., we francuskim miasteczku Feltre, gdzie eksplozja pioruna kulistego zabiła 10 osób.

Ale zazwyczaj obserwacja pioruna kulistego nie kończy się tak dramatycznie, choć świadkowie bywają nie na żarty przestraszeni. W 1963 r. do samolotu linii Eastern Air Lines, lecącego z Nowego Jorku do Waszyngtonu, wpłynęła lśniąca, błękitna kula o średnicy ok. 20 cm i z prędkością 1,5 m/sek. przepłynęła między fotelami pasażerów, po czym zniknęła.

Piorunowi kulistemu najczęściej towarzyszy burza. W 1987 r. pewien myśliwy wybrał się na polowanie w lasach Pensylwanii. Wracał już, gdy zaskoczyła go burza. Po jednym z wyładowań zza drzew wyskoczyła pomarańczowa kula wielkości piłki do koszykówki i popłynęła w jego kierunku. Lecąc obijała się o drzewa sypiąc przy tym skrami i sycząc. Przerażony myśliwy rzucił się do ucieczki, a kula goniła go, aż w pewnym momencie zgasła.

Odnotowano też relacje o obserwacji pioruna kulistego podczas ładnej pogody, choć naukowcy uważają je za mało wiarygodne. W 1976 r., w stanie Utah, farmer John Devey pracował na polu, kiedy spomiędzy odległych zabudowań wyłoniła się ognista kula o prawie metrowej średnicy. Nie poruszała się w określonym kierunku, wydawało się, jakby miotał nią wiatr. W pewnej chwili podzieliła się na dwie mniejsze kule, które po kilku metrach rozpłynęły się w powietrzu.

Niekiedy piorun kulisty tworzy się w sąsiedztwie linii energetycznych. W 1992 r. ekipa konserwacyjna pracowała przy słupie wysokiego napięcia w pobliżu Dijon, we Francji. W pewnej chwili z przewodów spadła na nich wielka lśniąca kula, o niemal dwumetrowej średnicy. Robotnicy zdążyli uciec, a kula zniknęła bezgłośnie zanim dotknęła ziemi.

Podobnych doniesień nie brak i z Polski. Przed kilkunastu laty w Rafinerii Trzebinia wybuchł pożar. Zapalił się zbiornik ropy naftowej o pojemności 10 tys. m sześc. Na szczęście, był napełniony tylko w jednej dziesiątej. Pożar powstał w wyniku wyładowania atmosferycznego podczas burzy. Jednak naoczni świadkowie twierdzili, że nie chodziło o zwykły piorun, lecz o piorun kulisty. Walka z pożarem trwała pięć godzin.

Zabójczy czy nie?

Zjawiska takie zawsze budzą przerażenie. Jednak piorun kulisty nie trzyma się reguł. Jednych zabija, innym nie wyrządza żadnej krzywdy. Bywały nawet przypadki, że ognista kula przenikała pod ubranie świadka i wylatywała rękawem, nie czyniąc przy tym człowiekowi szkody.

Choć szacuje się, że przeciętny mieszkaniec Ziemi ma szansę ujrzeć piorun kulisty raz na 1200 lat, nie da się wykluczyć, że jednak nam się to przytrafi. Co wówczas zrobić?

Raczej nie należy uciekać przed piorunem kulistym, ale lepiej także nie pozwolić mu zbytnio się zbliżyć. Najlepiej powoli zejść mu z drogi. Powolność jest wskazana, gdyż nie powinniśmy wykonywać ruchów powodujących zawirowania powietrza. Nie wolno więc również machać rękoma, opędzać się od pioruna itp.

Gdy odsunięcie się jest niemożliwe, trzeba się czymś zasłonić, najlepiej jakimś przedmiotem wykonanym z materiału źle przewodzącego prąd, np. z papieru. Wystarczy więc zwykła gazeta, choć warto mieć na uwadze, że niektóre pioruny kuliste przenikają nawet przez ściany. Może się zdarzyć, że piorun nie odbije się od przeszkody, lecz do niej przylgnie. Należy wówczas powoli odłożyć przedmiot, który posłużył nam za tarczę.

Pod żadnym pozorem nie wolno niczym uderzać w piorun kulisty, ani go chwytać. Każde naruszenie jego struktury grozi wybuchem. Znany jest wprawdzie przypadek człowieka, który deską rozbił piorun kulisty i nic mu się nie stało, ale lepiej dmuchać na zimne (byle nie dmuchać na piorun, bo – po pierwsze – i tak potrafi poruszać się pod wiatr, a po drugie – może to naruszyć jego strukturę, czymkolwiek jest).

Teorii ci u nas dostatek…

Istnienie pioruna kulistego wciąż podaje się w wątpliwość. Choć już w 1838 r. ukazała się praca francuskiego fizyka Dominique’a François Arago, w której prezentował on ponad dwadzieścia udokumentowanych przypadków, wielu wybitnych naukowców nie chciało przyjąć tego do wiadomości. Słynny brytyjski fizyk lord Kelvin orzekł w pół wieku później, że piorun kulisty jest tylko złudzeniem optycznym, wynikającym z oślepienia silnym błyskiem. Co symptomatyczne – Kelvinowi nie przeszkodziła w sformułowaniu tej teorii jej niezgodność z faktami. Doniesienia wyraźnie bowiem wskazywały na obiekt istniejący realnie – piorun kulisty może np. znikać za meblami, po czym wypływać spoza nich i być znów widocznym.

Jako zjawisko atmosferyczne, piorun kulisty znajdował się w kręgu zainteresowania meteorologii. Ale o ile „zwykłe” wyładowania były intensywnie badane, o tyle pioruny kuliste przez długi czas traktowano jako mit. Jeszcze w latach 30. wybitny amerykański meteorolog William Humphreys negował ich istnienie.

Sytuacja zaczęła się zmieniać w latach 50. XX w. Radziecki fizyk, Piotr Kapica, zaproponował naukowy model powstawania pioruna kulistego. Sednem hipotezy była próba wyjaśnienia najbardziej zagadkowej cechy pioruna kulistego – jego trwałości. Można sobie bowiem jeszcze od biedy wyobrazić kulę plazmy lub gorącego gazu trwającą ułamki sekund, ale kilka minut?! Zgodnie z zasadą termodynamiki piorun, w zetknięciu z chłodniejszym powietrzem, powinien szybko wypromieniować ciepło i zniknąć. Dlaczego tak się nie dzieje? Najwyraźniej piorun kulisty jest zasilany energią z zewnątrz. Kapica uważał, że podczas burzy między chmurami a ziemią kumuluje się energia fal elektromagnetycznych, z której piorun czerpie swoją moc.

Niedawno sformułowano dwie nowe teorie. Hiszpanie Jose L. Trueba i Antonio F. Ranada z Universidad Complutense w Madrycie uważają, iż piorun kulisty to kula zjonizowanego powietrza o temperaturze 30 tys. st. C, zamkniętego w pułapce magnetycznej, która tworzy się podczas burzy z zapętlających się linii sił pola magnetycznego. Wadą hipotezy jest fakt, iż są to tylko rozważania teoretyczne. Eksperymentalne uzyskanie „pętli” pola magnetycznego jest możliwe wyłącznie w tokamakach – urządzeniach, w których próbuje się za pomocą pułapek magnetycznych podtrzymywać reakcje termojądrowe.

Inną hipotezę przedstawili fizycy nowozelandzcy. John Abrahamson i James Dinniss z Uniwersytetu Canterbury twierdzą, że piorun kulisty powstaje z… piasku. A ściślej, z mieszaniny piasku i węgla, z której składa się gleba. Pod wpływem wysokiej temperatury uderzenia zwykłego pioruna w glebę, tworzy się czysty krzem. Ponieważ jest niestabilny, szybko się utlenia, świecąc przy tym. Stygnący krzem tworzy nanocząstki, które w odpowiednich warunkach mogą skupić się w kulistą formę. Kiedy cała ilość krzemu się utleni, płomień gaśnie i z kuli pozostaje tylko garść piasku.

Niestety, również i ta hipoteza jest tylko spekulacją. Pomimo wysiłków nie udało się potwierdzić jej doświadczalnie. Obecnie piorun kulisty uważa się za ostatnie nie wyjaśnione jeszcze zjawisko naturalne. Pomysłów jest już ponad sto, ale żaden z nich nie znajduje zastosowania do wszystkich obserwowanych zjawisk. Do najbardziej karkołomnych należy hipoteza, że piorun kulisty składa się z… antymaterii.

Zrób to sam

Jednym z pierwszych eksperymentatorów, chcących nie tylko wyjaśnić, ale także spowodować wystąpienie pioruna kulistego, był słynny wynalazca Nikola Tesla. Jego doświadczenia, prowadzone w górach Kolorado w 1899 r., nie przyniosły jednak znaczących wyników, choć niedawno pojawiła się sugestia, że wykonane wówczas fotografie mogą przedstawiać małe pioruny kuliste.

W połowie ubiegłego wieku jeden z konstruktorów bomby atomowej, James Tuck – pracujący z wykorzystaniem silnych akumulatorów – spowodował niechcący wybuch w swoim laboratorium w Los Alamos. Ku jego zdumieniu powstały przy tym ogniste kule, co dało mu asumpt do wysunięcia hipotezy, iż czynnikiem sprawczym powstawania piorunów kulistych może być kumulacja energii chemicznej.

Eksperymentatorzy próbowali już niemal wszystkiego, by wytworzyć coś, co choćby w ogólnych zarysach przypominałoby piorun kulisty. Wygląd palących się oparów niektórych gazów jest podobny, ale nie istnieje żaden dowód na potwierdzenie, że gazy takie występują w miejscach, gdzie pojawia się piorun. Najczęściej wykonywane eksperymenty – z wyładowaniami elektrycznymi – powodują niekiedy wystąpienie małych kulistych tworów, lecz podobieństwo do prawdziwego pioruna jest znikome.

Zaobserwowanie pioruna kulistego jest niezwykle trudne. Pojawia się tam, gdzie chce, i szybko znika. Ale od czego ludzka pomysłowość? W internecie można znaleźć przepis na wywołanie pioruna kulistego w… kuchence mikrofalowej.

Eksperyment jest niezwykle prosty. Trzeba wcześniej przygotować jakieś źródło wysokiej temperatury. Może to być, na przykład, zapalona świeczka z długim knotem lub palące się drewienko. Płomień powinien być jak najmniejszy. Po włożeniu palącego się przedmiotu do kuchenki, należy ją zamknąć i nastawić na maksymalną moc. Następnie pozostaje już tylko czekać i obserwować.

Najpierw powinien pojawić się dźwięk ciągłego wyładowania elektrycznego. W ślad za nim, w miejscu, gdzie znajduje się płomień świecy lub drewienka, powstanie świecąca kula o średnicy kilku centymetrów. Ma ona najczęściej barwę żółto-białą lub białą z odcieniem fioletowym. Kula – zwykle nieregularna i o niewyraźnym zarysie – powinna unieść się i trwać przez chwilę pod stropem kuchenki. Potem zniknie.

Eksperymentatorowi (ani kuchence) podobno nic nie grozi. Niestety, pomysłodawcy tej metody wywoływania piorunów kulistych nie dają gwarancji, że chodzi o takie samo zjawisko, jakie występuje w naturze.

Z pewnością na brak wyników dociekań natury pioruna kulistego niebagatelny wpływ ma fakt, że niełatwo go sfotografować. Tylko jedno zdjęcie jest uważane za naukowo wartościowe. Wykonał je przypadkiem amerykański badacz J. C. Jensen, podczas przeprowadzania badań burzowych. Na podstawie fotografii obliczono średnicę pioruna, który pojawił się w pobliżu linii energetycznej. I co się okazało? Kula miała 13 m średnicy, a więc znacznie więcej niż w relacjach naocznych świadków.

Lata badań można więc podsumować krótko: nadal nie mamy pojęcia, czym jest piorun kulisty. Dokładnie tak, jak za czasów lorda Kelvina.