“Χτυπά κεραυνός άνθρωπο εντός αυτοκινήτου;”

Υπάρχει όμως ένα ακόμη πιο παράξενο σημείο: μερικές φορές το ίδιο το αεροπλάνο μπορεί να βοηθήσει να ξεκινήσει ο κεραυνός. Το ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο συγκεντρώνεται γύρω από αιχμηρά σημεία, όπως η μύτη και τα άκρα των πτερύγων, και μπορεί να πυροδοτήσει την ανάπτυξη της ηλεκτρικής εκκένωσης.

Οπότε η εικόνα «ο κεραυνός πέφτει από το σύννεφο πάνω στο αεροπλάνο» δεν είναι πάντα ακριβής. Η φυσική του φαινομένου είναι πολύ πιο ενδιαφέρουσα.

Και από αυτό προκύπτει μια ωραία ερώτηση: αν ακουμπήσεις το εσωτερικό μεταλλικό τοίχωμα ενός αεροπλάνου ακριβώς τη στιγμή που το χτυπά κεραυνός, γιατί κατά κανόνα δεν περνούν δεκάδες χιλιάδες αμπέρ μέσα από εσένα; Η απάντηση έχει να κάνει με τη διαφορά μεταξύ ρεύματος και διαφοράς δυναμικού.

Το πιο κρίσιμο σημείο είναι ότι δεν αρκεί να υπάρχει τεράστιο ρεύμα κάπου κοντά σου για να περάσει αυτό το ρεύμα μέσα από το σώμα σου. Για να περάσει σημαντικό ρεύμα μέσα από εσένα, πρέπει να υπάρχει και κατάλληλη διαφορά δυναμικού μεταξύ δύο σημείων του σώματός σου και μια αγώγιμη διαδρομή.

Στον κεραυνό, μπορεί πράγματι να ρέουν δεκάδες χιλιάδες αμπέρ στην εξωτερική μεταλλική δομή ενός αεροπλάνου. Αυτό όμως δεν σημαίνει ότι αυτά τα αμπέρ «ψάχνουν» να περάσουν από κάθε επιβάτη. Το ρεύμα ακολουθεί κυρίως τη διαδρομή χαμηλής αντίστασης που προσφέρει το αγώγιμο κέλυφος του αεροσκάφους.

Αν, για παράδειγμα, ακουμπούσες ένα μεταλλικό τμήμα που βρίσκεται ηλεκτρικά στο ίδιο περίπου δυναμικό με το υπόλοιπο σημείο γύρω σου, το σώμα σου δεν θα είχε μεγάλη τάση από το ένα άκρο του στο άλλο. Άρα, σύμφωνα με τον νόμο του Ohm, $I=V/R$, αν το $V$ πάνω στο σώμα σου είναι μικρό, το ρεύμα που περνά από εσένα παραμένει μικρό, ακόμη κι αν έξω από την καμπίνα ρέει τεράστιο συνολικό ρεύμα.

Ένα χρήσιμο παράδειγμα είναι τα πουλιά πάνω σε καλώδια υψηλής τάσης. Το καλώδιο μπορεί να βρίσκεται σε πολύ υψηλό δυναμικό ως προς τη Γη, αλλά το πουλί πατά και με τα δύο πόδια σχεδόν στο ίδιο δυναμικό. Επομένως δεν υπάρχει μεγάλη τάση μεταξύ των ποδιών του και δεν διαρρέεται από επικίνδυνο ρεύμα. Αν όμως άγγιζε ταυτόχρονα και ένα γειωμένο αντικείμενο, τότε θα υπήρχε μεγάλη διαφορά δυναμικού και η κατάσταση θα ήταν εντελώς διαφορετική.

Στο αεροπλάνο, το εξωτερικό κέλυφος λειτουργεί παρόμοια. Όταν ο κεραυνός προσβάλλει το αεροσκάφος, το δυναμικό ολόκληρης της δομής μπορεί να αλλάξει απότομα και πολύ έντονα, αλλά η καμπίνα και πολλά από τα αγώγιμα μέρη της «ανεβαίνουν και κατεβαίνουν» ηλεκτρικά μαζί. Αυτό σημαίνει ότι ο επιβάτης μπορεί να βρεθεί σε πολύ υψηλό απόλυτο δυναμικό ως προς τη Γη χωρίς να έχει μεγάλη διαφορά δυναμικού μέσα στο ίδιο του το σώμα.

Εδώ βρίσκεται και η ουσία του κλωβού Faraday. Δεν είναι κάποια «ασπίδα» που εξαφανίζει τον ηλεκτρισμό. Το αγώγιμο περίβλημα ανακατανέμει τα φορτία στην εξωτερική του επιφάνεια έτσι ώστε το ηλεκτρικό πεδίο στο εσωτερικό να παραμένει πολύ μικρότερο. Έτσι, η καμπίνα προστατεύεται από τις τεράστιες ηλεκτρικές μεταβολές που συμβαίνουν έξω.

Βέβαια, στην πραγματικότητα δεν είναι όλα ιδανικά. Ο κεραυνός προκαλεί εξαιρετικά γρήγορες μεταβολές ρεύματος, και αυτές μπορούν να δημιουργήσουν ηλεκτρομαγνητικά πεδία και επαγόμενες τάσεις σε καλώδια και ηλεκτρονικά συστήματα. Γι’ αυτό τα αεροσκάφη δεν βασίζονται μόνο στο μεταλλικό κέλυφος. Έχουν ειδική θωράκιση, αγώγιμες διαδρομές, bonding μεταξύ μεταλλικών μερών, προστασία από υπερτάσεις και σχεδιασμό που περιορίζει την επαγωγή σε κρίσιμα κυκλώματα.

Άρα, το σωστό νοητικό μοντέλο είναι αυτό: ο κεραυνός μπορεί να βάλει ολόκληρο το αεροσκάφος σε πολύ υψηλό ηλεκτρικό δυναμικό και να διοχετεύσει τεράστιο ρεύμα στην εξωτερική του δομή, αλλά εσύ κινδυνεύεις κυρίως όταν υπάρχει σημαντική διαφορά δυναμικού μεταξύ δύο σημείων που αγγίζεις. Μέσα σε ένα σωστά σχεδιασμένο αεροσκάφος, αυτή η διαφορά κρατιέται όσο γίνεται μικρότερη.

Πολλά τεχνικά από τα παραπάνω προέρχονται από την ΑΙ αναζήτηση

Δόθηκε στη δημοσιότητα η επόμενη φωτογραφία

Βλέπουμε την ύπαρξη ανοικτού παραθύρου, πίσω δεξιά, διαγώνια από τη θέση του οδηγού. Τί σημαίνει αυτό;

Το ανοιχτό πίσω παράθυρο δεν «ακυρώνει» τον κλωβό Faraday
Ας θεωρήσουμε ένα μεταλλικό αυτοκίνητο και ότι ο κεραυνός προσπίπτει, π.χ., στην οροφή. Το ρεύμα I(t) εξαπλώνεται κυρίως στο μεταλλικό αμάξωμα. Η βασική προστασία είναι ότι το ανθρώπινο σώμα βρίσκεται μέσα σε αυτή την αγώγιμη δομή και όχι στη διαδρομή του κύριου ρεύματος.

Τώρα ανοίγουμε ένα πίσω παράθυρο.

Η οπή σημαίνει ότι ο κλωβός δεν είναι πλέον μια τέλεια κλειστή αγώγιμη επιφάνεια. Δεν σημαίνει όμως ότι το ρεύμα περνά από την οπή. Αυτό είναι σημαντικό.
Το ρεύμα μπορεί να κινηθεί γύρω από το άνοιγμα:

Υπάρχουν δηλαδή πολλές μεταλλικές διαδρομές γύρω από το παράθυρο. Δεν χρειάζεται το ρεύμα να «κόψει δρόμο» διαμέσου του αέρα της καμπίνας.

Γιατί δεν προτιμά τον αέρα;
Επειδή ο μη ιονισμένος αέρας είναι εξαιρετικός μονωτής σε σύγκριση με το μέταλλο.

Για να περάσει κεραυνικό ρεύμα από τον αέρα πρέπει το ηλεκτρικό πεδίο να γίνει τόσο μεγάλο ώστε να προκληθεί ηλεκτρική διάσπαση. Τότε δημιουργείται ιονισμένο πλάσμα και έχουμε τόξο.

Επομένως η ιδέα

«καταιγίδα → υγρός/αγώγιμος αέρας → ρεύμα από το ανοιχτό παράθυρο»

δεν είναι η σωστή φυσική εικόνα.

Η υγρασία επηρεάζει τις ηλεκτρικές ιδιότητες της ατμόσφαιρας, αλλά δεν μετατρέπει τον αέρα μέσα στο αυτοκίνητο σε κάτι που να ανταγωνίζεται ηλεκτρικά το μεταλλικό αμάξωμα.

Υπάρχει όμως περίπτωση να δημιουργηθεί τόξο προς το εσωτερικό;
Ναι — και αυτή είναι η πιο ενδιαφέρουσα λεπτομέρεια.

Το ηλεκτρικό πεδίο γίνεται ιδιαίτερα μεγάλο κοντά σε αιχμές, γωνίες και ακμές αγωγών. Το πλαίσιο ενός ανοιχτού παραθύρου έχει τέτοιες γεωμετρικές ασυνέχειες.

Εάν το τοπικό πεδίο γίνει αρκετά μεγάλο, θεωρητικά μπορεί να έχουμε  E>Ebreakdown​   και και τότε:

αέρας→ιονισμός→ηλεκτρικό τόξο.

Αλλά για να τραυματιστεί η οδηγός μέσω αυτού του μηχανισμού θα χρειαζόταν μια συγκεκριμένη ηλεκτρική διαδρομή προς αυτήν.

Το ότι ένα πίσω παράθυρο είναι ανοικτό δεν αρκεί για να συμπεράνουμε ότι δημιουργήθηκε τέτοια διαδρομή.

Και επειδή, το ανοιχτό παράθυρο βρίσκεται πίσω και όχι δίπλα στην οδηγό, η απλή υπόθεση

«ο κεραυνός μπήκε από το ανοιχτό παράθυρο και χτύπησε την οδηγό» γίνεται ακόμη λιγότερο πειστική χωρίς άλλα στοιχεία.

Υπάρχει όμως ένας άλλος μηχανισμός που συχνά παραβλέπεται

Ο κλωβός Faraday προστατεύει εξαιρετικά από το ηλεκτρικό πεδίο, αλλά ένας κεραυνός δεν είναι συνεχές ρεύμα.

Είναι ένας εξαιρετικά απότομος παλμός: I=I(t),  με dI​/dt πολύ μεγάλο.

Άρα παράγεται ένα πολύ ισχυρό και ταχέως μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο.

σύμφωνα με τον νόμο Faraday, E=−dΦB​​/dt

Έτσι μπορούν να επαχθούν παροδικές τάσεις σε καλωδιώσεις και αγώγιμους βρόχους μέσα στο αυτοκίνητο, χωρίς να έχει «μπει» κυριολεκτικά ο κύριος κεραυνός από κάποιο παράθυρο.

Επιπλέον, το αμάξωμα πραγματικού αυτοκινήτου δεν είναι μια ενιαία τέλεια μεταλλική σφαίρα: έχει πόρτες, ενώσεις, καλωδιώσεις, κεραία, παρμπρίζ, ηλεκτρονικά, μεταλλικά εξαρτήματα κ.λπ.

Γι’ αυτό η πρακτική οδηγία είναι να αποφεύγουμε να αγγίζουμε μεταλλικά/ηλεκτρικά μέρη όταν βρισκόμαστε σε όχημα κατά τη διάρκεια κεραυνικής δραστηριότητας.

Και το δέντρο της φωτογραφίας;

Εδώ θα ήμουν επίσης προσεκτικός. Δεν μπορούμε από τη φωτογραφία να πούμε ότι ο κεραυνός χτύπησε το δέντρο ή το αυτοκίνητο.

Αν όμως χτύπησε το δέντρο, υπάρχει απολύτως πραγματικός μηχανισμός ώστε ένα μέρος του ρεύματος να μεταπηδήσει στο αυτοκίνητο. Το δυναμικό του κορμού μπορεί στιγμιαία να γίνει τεράστιο και να προκύψει ηλεκτρικό τόξο (side flash) προς κοντινό αγώγιμο αντικείμενο.

Αυτό είναι ένας από τους λόγους που η θέση ακριβώς δίπλα ή κάτω από μεγάλο δέντρο δεν είναι επιθυμητή σε καταιγίδα, παρότι η παραμονή μέσα σε κλειστό μεταλλικό αυτοκίνητο εξακολουθεί να προσφέρει σημαντική προστασία.