Jak w chmurach rozkładają się ładunki elektryczne?

Pytanie

Pyta Marci

W sumie mam dwa pytania, ale z podobnego zagadnienia.
1) Co się dzieje z nadmiarowymi ładunkami w chmurach? Ładunek elektryczny pojawia się, bo dwie masy powietrza ocierają się (a w nich drobinki wody), przez co górna warstwa zyskuje ładunek, załóżmy +A, a dolna -A. Gdyby wyładowania przebiegały między chmurami, to ładunek zawsze zerowałby się, ale czasami piorun uderzy w ziemię, i wtedy dolna warstwa ma już mniejszy ładunek niż -A, tak mnie zastawia mnie, co się dzieję z resztą ładunku +A?
2) Wydaję mi się, że to pytanie jest głupie, ale właściwie nigdzie nie znalazłem odpowiedzi, więc je zadam. Dlaczego ziemia uziemia? Dlaczego ładunek elektryczny przytknięty do ziemi spływa do niej?

Odpowiedź

Odpowiada Prof. Szymon Malinowski

Pytanie nie jest głupie, odpowiedź na nie jest natomiast trudna, postaram się zrobić to w uproszczeniu u skrócie. W praktyce rozdział ładunku w chmurze wygląda inaczej niż opisano to w pytaniu. Wyróżniamy dwa mechanizmy separacji, obydwa związane z faktem, że wskutek oporu powietrza prędkość opadania dużych cząstek chmurowych jest większa niż małych. Jeden to mechanizm indukcyjny: krople chmurowe w polu elektrycznym Ziemi mają pewien moment dipolowy (ładunek dodatni z jednej strony, ujemny z drugiej), i gdy mała kropelka dotknie (ale się nie połączy) dużej kropli w miejscu gdzie jest ładunek powierzchniowy, zabierze cześć tego ładunku. Przez różną  prędkość opadania ładunki się rozdzielą. Drugi to możliwy rozdział ładunku przy rozpadzie – łamaniu  rosnących kryształków lodu. W efekcie to siły ciężkości i oporu powietrza, wraz z prądami wstępującymi i zstępującymi, prowadzą do rozdziału ładunków i gromadzenia ich w różnych częściach chmury. Część tych efektów rozdziału może być skompensowana wyładowaniami wewnątrzchmurowymi, część prowadzi do trwałej separacji ładunku: opad niesie do powierzchni ziemi ładunek ujemny a małe krople, których cześć wyparowuje, wyniesione przez prądy wstępujące zostawiają w górnych warstwach atmosfery ładunki dodatnie. Tak działa mechanizm formowania ziemskiego pola elektrycznego: ujemnie naładowanej powierzchni planety i dodatnio naładowanych wysokich warstw atmosfery. To pole nie istniałoby, gdyby nie bezustanna separacja ładunków w chmurach burzowych, przede wszystkim wokół równika, gdzie aktywność burzowa jest największa. Więcej informacji można znaleźć np. tu.