Zależność częstości uderzeń pioruna od wysokości uziemionego obiektu usytuowanego na płaskim terenie została wyznaczona już dawno temu. Przed II wojną światową w Hamburgu i w USA prowadzono rejestracje piorunów uderzających w wysokie obiekty. Zagadnienie uderzeń piorunów w obiekty wysokie jest bardzo ważne dla zapewnienia bezpieczeństwa turystów w górach. Dowodzi tego wypadek porażenia ponad 150 osób i śmierci pięciorga na Giewoncie 22.08.2018 roku.
Uderzenie pioruna w wysokie konstrukcje
Za obiekty wysokie uważa się konstrukcje o wysokości większej niż 100 m. Obiekty te mogą zainicjować piorun oddolny, rozwijający się z wierzchołka konstrukcji do chmury burzowej. W obiekty niskie uderzają pioruny rozwijające się z chmury burzowej do ziemi. Pioruny te mają często charakterystyczny zygzakowaty kształt i boczne kanały (rys. 1a). Rysunek 1b przedstawia piorun potrójny, który rozwinął się z wierzchołka wieży Eiffela, złożony z trzech następujących po sobie błyskawic. Obserwacje obiektów o wysokości wyższej od 500 m wykazały, że pioruny są bardzo często przez nie inicjowane. Im obiekt wyższy tym częściej inicjuje wyładowanie piorunowe ze swego wierzchołka. Pioruny uderzające w obiekty o wysokości większej od 100 m są piorunami chmura-ziemia lub piorunami ziemia-chmura. Uważa się, że w obiekty niższe od 100 m uderzają tylko pioruny chmura-ziemia. Inicjowanie wyładowań przez obiekty wysokie zwiększa liczbę piorunów trafiających w ten obiekt. Można powiedzieć, że gdyby w danym miejscu nie było obiektu wysokiego, to w to miejsce nie uderzałoby tak wiele piorunów.
Aby wysoki obiekt mógł zainicjować piorun ziemia-chmura konieczne jest wysokie pole elektryczne w pobliżu jego wierzchołka. Według Bazelyana warunki te zostaną spełnione, jeśli pole elektryczne przekroczy wartość przebicia na odcinku wierzchołek obiektu-chmura burzowa o długości aż 15 m. Należy podkreślić, że takie warunki są znacznie ostrzejsze niż warunki konieczne do wywołania wyładowań koronowych. Wyjaśnia to również, dlaczego tzw. zwody aktywne ESE, które inicjują słabe wyładowania jonizacyjne wokół elektrody ostrzowej nie mogą zainicjować wyładowania ziemia-chmura. Na podstawie obserwacji piorunów ziemia-chmura z wysokich obiektów, Berger i Vogelsanger sugerują natomiast, że wysokie pole elektryczne konieczne do inicjacji powstaje podczas wyładowań w chmurach.
Przebieg prądu płynącego przez obiekt wysoki po zainicjowaniu pioruna ziemia-chmura różni się istotnie od przebiegu prądu, gdy obiekt zostaje trafiony przez piorun chmura-ziemia. Rozwojowi lidera z wierzchołka obiektu w kierunki chmury (Upward Leader UPL na rys. 2a) towarzyszy przepływ prądu stałego o wartości kilkuset amperów i czasie trwania od kilkudziesięciu do kilkuset ms (ICC na rys. 2c). Po pewnym czasie z chmury może rozwinąć się następne wyładowanie ciągłe strzałowe (Dart Leader DL) a następnie wyładowanie powrotne (Return Stroke RS). Po pierwszym wyładowaniu powrotnym mogą nastąpić dalsze wyładowania strzałowe i powrotne. Wyładowaniom powrotnym towarzyszą impulsowe prądy o amplitudzie kilkudziesięciu kA (rys.2c). Rysunek 2b jest obrazem wyładowań zarejestrowanym przez szybką kamerę, a rysunek 1a jest obrazem zarejestrowanym przez stacjonarny aparat fotograficzny.
Gdy w obiekt uderza piorun chmura-ziemia, wówczas wyładowanie wstępne ma charakter schodkowy. Po nim rozwija się wyładowanie główne z towarzyszącym prądem impulsowym zazwyczaj o wartości od kilkunastu do 100 kA. Następne wyładowania są podobne do wyładowań ciągłych i głównych oznaczonych na rys. 2 b jako 1 i 2.
Liczba uderzeń piorunów w wysoki obiekt zależy od gęstości wyładowań piorunowych na danym terenie (liczba uderzeń na km2/rok) i od jego wysokości. Z wykorzystanego wzoru Ericksona wynika, że spodziewana liczba uderzeń w wieżowiec Sky Tower o wysokości 212 m wynosi 2,8 w ciągu roku. Oznacza to, że w ciągu roku można się spodziewać dwóch lub trzech uderzeń piorunów. Natomiast w wieżę kościoła św. Elżbiety o wysokości 90 m może trafić 0,5 pioruna w roku lub pięciu piorunów w ciągu dziesięciu lat. Z obserwacji Erikssona wynika również, że obiekt tak wysoki jak Sky Tower inicjuje połowę trafiających w niego piorunów.
W obiekt wysoki pioruny mogą uderzać nie tylko w wierzchołek, niekiedy zdarzają się tzw. boczne uderzenia poniżej wierzchołka. Ostatnie obserwacje piorunów na Tokyo Skytree o wysokości 634 m wykazały, że w latach 2012-2016 było 25 piorunów typu chmura-ziemia, 37 piorunów typu ziemia-chmura. Zaobserwowano również 3 niezwykłe pioruny, które uderzyły w wieżę na wysokości 200 m, 237 m i 495 m od poziomu gruntu.
W tabeli 1 zestawiono roczną liczbę zarejestrowanych i obliczonych według wzoru Ericksona uderzeń piorunów w wysokie obiekty. Liczba uderzeń piorunów jest proporcjonalna do gęstości wyładowań doziemnych Ng. Dlatego dokładność obliczeń zależy od dokładności wyznaczenia gęstości wyładowań doziemnych. W tabeli 1 zwraca uwagę niewielka liczba uderzeń w najwyższy obiekt – Tokyo Skytree. Wieże w Toronto i w Ostankino inicjowały wszystkie pioruny. Natomiast wieża w Tokio inicjowała tylko część piorunów a część piorunów w nią trafiających była piorunami chmura-ziemia. Zjawisko to można wytłumaczyć wysokością centrum ładunku ujemnego nad ziemią. Gdy centrum to znajduje się poniżej 6 km, wówczas z obiektu o wysokości większej niż 500 m inicjowane są pioruny obiekt-chmura. Wysokości centrum ładunku ujemnego nad Moskwą i Toronto są położone na wysokości mniejszej niż 6 km.
Niebezpieczny Giewont
Giewont jest bardzo stromy. Jego północna ściana wznosi się aż 400 m na poziomym odcinku 300 m, co daje nachylenie 130 proc. (rys. 3). Od strony południowej nachylenie jest mniejsze, na poziomym odcinku 500 m grzbiet góry opada o 300 m (nachylenie 60 proc.).
Stanisław Szpor przypomniał ciekawy zapis w dziele Stanisława Staszica z roku1815 „O ziemiorództwie Karpatów i innych gór i równin Polski”. Staszic, przebywając w Tatrach podczas burzy, miał wrażenie, że niektóre pioruny rozwijają się nie z chmur do ziemi a właśnie ze szczytów w kierunku chmur: „Słychać nieprzyjemny huk, nieustanne błyskanie i piorunów bicie. Tych zdawało się więcej ostrzem wypadać w górę, niźieli z góry uderzać w skały”. Ta obserwacja wyprzedziła o 125 lat publikację Mc Eachron’a o piorunach inicjowanych z Empire State Building w Nowym Jorku. Stromość szczytów Tatr i możliwość inicjowania z nich piorunów ziemia-chmura zwiększa liczbę uderzeń piorunów w te miejsca i zagrożenie porażeń turystów.
Wypadki porażeń zakończone niekiedy śmiercią na Giewoncie zdarzyły się już wiele razy. Jednym z najtragiczniejszych był w sierpniu 1937 roku Zginęły wówczas cztery osoby a trzynaście odniosło obrażenia. Następne wydarzyły się w latach 1950, 1961, 1964, 1966, 1968, dwukrotnie w 1986, 2001, 2004, 2008 2009 (jedna osoba zabita). Prof. Marek Szczerbiński z AGH analizował miejsca wyładowań piorunowych uderzających w Giewont i jego otoczenie w roku 2008 i 2009, korzystając z rejestracji systemu LINET. Liczbę piorunów uderzających w szczyt Giewontu w roku oszacowano na 10. Rejestracje wykazały, że szczyt Giewontu nie stanowi wyraźnie uprzywilejowanego miejsca uderzeń. Znaczna liczba uderzeń trafia również w całe pasmo Giewontu o długości ok. 1,6 km. Dlatego apele o demontaż krzyża nie są uzasadnione.
| Obiekt | Wysokość m | Ng km-2 rok-1 | Nrejestr | Nobl | Rejestracje z lat |
| Tokyo Skytree | 634 | 2 | 12 | 27 | 2012-2016 |
| Toronto CN Tower | 553 | 2,8 | 32 | 28 | 1978-1995 |
| Toronto CN Tower | 553 | 2,8 | 33 | 28 | 1991-2005 |
| Ostankino TV Tower | 540 | 3 | 26 | 29 | 1968-1975 |
| New York Empire State | 443 | 1,4 | 23 | 9 | |
| Paris Eiffel Tower | 328 | 2,1 | 5 | 7 | |
| Baltimore Lexington Building | 105 | 2,9 | 1 |
Wypadek z sierpnia 2018
22.08.2019 roku około godziny 12.30 nad Tatry od południowego zachodu nadciągnęła burza (rys. 4a). W rejonie Giewontu burza nie była poprzedzona opadami deszczu, co spowodowało, że turyści zostali na szlakach, a było ich wielu. Przypuszczalnie zbagatelizowali wcześniejsze grzmoty i błyski. Gdy pierwsze błyskawice dosięgły Giewontu, okazało się, że tak duża liczba turystów nie może zejść szybko dwoma wąskimi i trudnymi szlakami. W szczyt Giewontu piorun uderzył kilka razy o godzinie 13.06. Tatrzańskie Ochotnicze Pogotowie Ratunkowe otrzymało wiadomość o zdarzeniu o godzinie 13.16. Gdy pierwsi ratownicy dotarli w rejon Giewontu, wyładowania ciągle trwały. W Polsce zginęły cztery osoby a około 150 było rannych, na Słowacji jedna osoba zmarła a dwie były ranne. W akcji wzięło udział ponad 45 ratowników GOPR i wiele innych osób z Policji, Straży Pożarnej, Pogotowia Ratunkowego i helikopter. Po godzinie 14:00 nad Tatrami po polskiej stronie granicy odnotowano tjuż ylko kilka wyładowań (rys. 4b).
Wnioski
Przebywanie na szczytach i graniach Tatr podczas burzy stanowi śmiertelne niebezpieczeństwo dla turystów.
Przed wyjściem w góry turyści powinni zapoznać się z komunikatami o zagrożeniu burzowym lub sprawdzić aktualną sytuację burzową na stronach internetowych, np.:
www.burze.dzis.net
www.pogodynka.pl/burze
www.euclidorg/realtime.html
Podziękowanie
Autor dziękuje naczelnikowi TOPR Janowi Krzysztofowi za udostępnienie sprawozdania z akcji ratowniczej 22.08.2020 roku.
