1891 - Wystawa we Frankfurcie

 

Międzynarodowa Wystawa Elektrotechniczna 1891 była dużym wydarzeniem, wzorowanym na paryskiej Wystawie Światowej, dającym wielu producentom dopiero raczkującego przemysłu elektrotechnicznego okazję do pokazania światu tych wszystkich wynalazków. Chciano zachwycać zwiedzających i pokazać choćby w zabawkowej formie wszystkie ewentualne możliwości urządzeń elektrycznych, jakie potencjalnie mogłyby nabrać znaczenia w przyszłości. Czego więc tam nie było - goście mogli objechać teren wystawy elektryczną kolejką wąskotorową, popłynąć elektryczną łodzią, pościgać na torze z poruszanymi elektrycznie figurami koni. Ze wszystkich stron migały różnego typu żarówki i lampy próżniowe. Centralnym punktem wystawy był natomiast zasilany elektryczną pompą dziesięciometrowy wodospad. Rzeczą mniej oczywistą dla zwiedzających było natomiast zaprezentowanie przez europejskie firmy sposobów przesyłu i generowania prądu, co stawało się w tym czasie problemem coraz bardziej palącym.

Dotychczas znane prądnice produkowały prąd stały, którym zasilano jednobiegunowe silniki i który przechowywano w stałoprądowych akumulatorach. Głównym problemem prądu stałego były natomiast straty podczas przesyłu. Aby nie spalić urządzeń trzeba było używać niezbyt wysokich napięć. Dla odmiany jednak prąd o niskim napięciu dużo silniej odczuwał opór przewodnika. Lepiej było przesyłać prąd wysokonapięciowy z elektrowni i potem obniżać jego napięcie dzielnikami, co dawało jednak kolejne straty energii. Z kolei elektrownie miały problem z wydajnym energetycznie generowaniem prądu o bardzo wysokich napięciach. Przesłanie prądu na odległość większą niż kilometr czy dwa stawało się kłopotliwe i bardzo stratne, elektrownie musiały być więc tworzone dosłownie w centrach miast, będąc jednak dość uciążliwe dla sąsiedztwa. *

Znany był już w tym czasie prąd przemienny i prądnice umożliwiające jego produkcję. Gdy odkryto także transformatory, w głowach co lepszych inżynierów zaczęło migać, że może jednak przesył prądu przemiennego będzie lepszy. Można prąd o niskim napięciu, produkowany w elektrowni, przetransformować na prąd o bardzo wysokim napięciu, który doznaje w trakcie transportu bardzo małych strat. Po dotarciu do miejsca przeznaczenia prąd zostaje przetransformowany ponownie na niskie napięcie bez generowania dużej straty na zmniejszenie napięcia. I tu pojawiał się problem, bo silniki prądu przemiennego nie były wtedy zbyt dobrze opracowane technicznie. Wydawało się, że bez prostowania prądu znów na stały, taka przesłana daleko elektryczność zasili najwyżej żarówki albo lampy łukowe.

I faktycznie początkowy rozwój elektryczności przemiennej był dość powolny. Na małą skalę tworzono sieci przesyłu prądu jednofazowego i dwufazowego. Teoretycznie opisano, że zwiększenie ilości faz powinno polepszyć właściwości prądu i wykorzystanie energii przez silniki.  Przełom nastąpił w momencie wymyślenia trójfazowych prądnic z indukowanym wirującym polem magnetycznym. To, kto był tym odkrywcą, nie jest jasne. Pierwszą publikację na ten temat przedstawił Galileo Ferraris z Włoch z 1888 roku; wkrótce potem patent na urządzenie działające na tej zasadzie dostał w USA Nikola Tesla, wniosek patentowy złożył jednak wcześniej, więc na pewno oboje pracowali nad tym równolegle nie wiedząc o sobie. Ferraris twierdził, że eksperymentował nad swoim alternatorem od 1885 roku, gdy to pierwszy raz zbudował eksperymentalny model. Na wieść o tym Tesla rozgłaszał, że on eksperymentował z trójfazową prądnicą od 1884 roku, tylko nikomu nie mówił. Idąc dalej, gdy jasne stało się, że system przesyłu prądu trzema przewodami z różnymi fazami opisał pierwszy Hopkinson z 1882 roku, który łączył ze sobą kilka prądnic, Tesla zaczął twierdzić, że on projektował takie systemy jeszcze wcześniej - tylko nikomu nie mówił.

W tym czasie technologią opanowania prądu przemiennego w Niemczech zajmował się Michał Doliwo-Dobrowolski. Urodzony w Rosji syn polskiego włościanina, który z powodu represji wobec obcego (polskiego) pochodzenia studentów po zamachu bombowym na Cara musiał wyjechać do Prus, gdzie dał się poznać jako pojętny student. Zaczął pracować dla firmy AEG, która w tym czasie produkowała urządzenia elektryczne prądu stałego. Zainteresował się wykorzystaniem prądu przemiennego i silnika asymetrycznego i dostał od zarządu wolną rękę do prac w tym kierunku. Szybko zaczął ogłaszać kolejne wynalazki dotyczące prądnic i silników. Jednym z opatentowanych pomysłów był silnik z pierścieniem ślizgowym, umożliwiającym przekazanie prądu do części wirującej.

Gdy już technologia zarówno wytwarzania trójfazowego prądu jak i jego wykorzystania w silnikach wydawała się opracowana, AEG wpadła na pomysł pokazania wszystkim jak dobry jest to system. Akurat w tym czasie miała odbyć się wystawa elektrotechniczna. Plan był taki - prądnica oparta o układ trójfazowy zostanie zamontowana na odpowiednio silnej turbinie w zaporze wodnej, następnie powstały prąd zostanie przesłany na dużą odległość do Frankfurtu, aby tam zasilić jakieś urządzenie oparte o trójfazowy silnik. Równocześnie miano więc zaprezentować zarówno zalety elektrowni trójfazowej, trójfazowego przesyłu prądu na duże odległości i trójfazowych silników. 

Prądnica w Laffer

Prądnica została zamontowana w turbinie wodnej cementowni w Laffer, koło Heilbronn, miała moc 300 koni mechanicznych. Wytworzony prąd o napięciu 55 V przetransformowano na 25 kV i przesłano do linii przesyłowej o długości 170 km prowadzącej do Frankfurtu. Na miejscu transformator obniżał napięcie wedle potrzeb, zaś przesłany prąd zasilał silnik elektryczny 100 KM napędzający pompę sztucznego wodospadu, trzy mniejsze silniki pokazowe i tysiąc żarówek.

Straty energii podczas przesyłu oceniono na 25%, co było w tym czasie wartością wyjątkowo małą. 

Wystawa okazała się wielkim sukcesem. Trwała od 16 maja do 19 października i przez tych kilka miesięcy obejrzało ją 1,2 mln zwiedzających.
We Frankfurcie planowano w tym czasie budowę elektrowni na lokalne potrzeby i należało zdecydować na jaki właściwie prąd będzie działać. Prezentacja AIG i wynalazków Dobrowolskiego przeważyła szalę i ostatecznie nowa elektrownia działała od początku w układzie trójfazowym. Przyczyniło się to też do zaakceptowania takiej metody przesyłu w innych krajach i dziś ostatecznie prąd trójfazowy to najpopularniejszy system w sieciach krajowych.

W międzyczasie Tesla najpierw wpadł w łapy Edisona, który nie widział przyszłości dla prądu przemiennego, a zwłaszcza takiego trójfazowego (ponoć jego zdolności matematyczne były niskie i dlatego nie ogarniał jak to działa fizycznie), potem po kłótniach i sporach o temat badań, finanse i kwestie umieszczania nazwisk w patentach odszedł. Zaczął szukać współpracy z inwestorami i udało mu się znaleźć współpracę z firmą techniczną. Jako jeden z inżynierów opracował dynama do elektrowni wodnej na rzece Niagara, która zaczęła pracę w 1896 roku. Od tego czasu przestawianie sieci z prądu stałego na przemienny trójfazowy bardzo przyspieszyło. 

Dziś Tesla i jego udział w stworzeniu tej elektrowni stały się tak bardzo znane, że błędnie twierdzi się nie tylko, że jego elektrownia wodna była pierwszą w ogóle, ale też że wymyślił on prąd trójfazowy w genialnym przebłysku, na co nikt wcześniej nie wpadł, pierwszy przesłał prąd trójfazowy z elektrowni na dużą odległość, i że wszystko co trójfazowe to amerykańskie osiągnięcia. Wygląda na to, że akurat w kwestii elektrowni wodnej i linii dalekiego przesyłu wyprzedził go Dobrowolski.

-----
* Dziś znamy już bardzo wydajne metody obniżania napięcia i zamiany prądu stałego w zmienny, dlatego do przesyłu dużego prądu na duże odległości używany jest przesył prądem stałym o gigantycznym natężeniu, który w takim zastosowaniu jest bardziej wydajny. Tym sposobem przesyła się prąd ze Szwecji do Polski przy pomocy kabla na dnie morza.

Funnel Cloud nad Bugiem

 

Po tylu latach wypatrywania w końcu się udało. Może to nie była tak całkowicie trąba powietrzna, ale prawie była. Był to tak zwany zalążek, czyli wir trąby, który nie doleciał do ziemi. Może być też nazywany funnel cloud, co jest trochę mylący, bo także trąby powietrzne posiadają funnel w swym wnętrzu. A czasem nie mają go w ogóle.

Gdy już w atmosferze zajdą procesy generujące wir powietrza, sięgający od ziemi do podstawy chmury, środek wiru zwykle jakoś się uwidacznia. Czasem przy stosunkowo szerokiej podstawie i niezbyt dużej sile, w chmurach widać tylko spiralny wzór lub uwypuklenie podobne do mammatusa. Ale zwykle lej staje się widoczny częściowo dzięki pyłowi i szczątkom poderwanym z ziemi, a częściowo dzięki zwisającej z chmur strukturze w kształcie ostrosłupa. Która jest chmurą. 

Pod względem czysto fizycznym to, co dostrzegamy w trąbie powietrznej, to chmura taka sama jak ta powyżej, tylko ukształtowana w określony sposób przez wir. I nie jest to nawet, jak niektórzy sobie wyobrażają, chmura powyżej zassana do wiru. To zupełnie nowa chmura, zasilana powietrzem zasysanym znad ziemi i powstająca w taki sam sposób jak wszystkie inne. Przez osiągnięcie warunków stuprocentowego nasycenia powietrza parą wodną. Powietrze raczej nie osiąga takiego stanu wskutek samego parowania, bo wzrost wilgotności zmniejsza tempo procesu. Dlatego przesycenie wilgotnego powietrza następuje wskutek dwóch procesów - schłodzenia lub spadku ciśnienia. A najczęściej za sprawą obu na raz. Gdy jesienią zachodzi słońce, powierzchnia ziemi łatwo się wychładza. Od tej powierzchni ochładza się powietrze nad gruntem i w obniżeniach terenu zbiera się warstwa powietrza chłodniejszego. Jeśli tego dnia było wilgotno, w warstwie tej po ochłodzeniu następuje zupełne nasycenie i powstaje warstwy mgły.

Jeśli mamy ciepły, letni dzień i panują odpowiednie warunki, ziemia się nagrzewa, od ziemi powietrze, które unosi się do góry. Wraz ze wznoszeniem strumień jest poddawany coraz niższemu ciśnieniu, oraz przy okazji ochładza się i na pewnej wysokości para kondensuje. Powstaje chmura, która rozwija się dalej lub zanika zależnie od warunków.

No więc w trąbie powietrznej mamy wznoszący się prąd powietrza, który jest poddawany ekstra warunkom. Nie tylko jest przyspieszany i wyciągany na dużą wysokość, ale też we wnętrzu wiru następuje wyraźny spadek ciśnienia. Często na tyle duży, że powietrze osiąga warunki kondensacji nawet tuż przy samej ziemi. Wewnątrz wiru powstaje więc chmura. Wraz ze wznoszeniem się znaczenia zaczyna nabierać także spadek ciśnienia związany z samą różnicą wysokości. Powoduje to, że warunki sprzyjające kondensacji są ułatwione w większej odległości od centrum wiru. 

Powiedzmy, że danego dnia powietrze zacznie kondensować dopiero od ciśnienia poniżej 850 hPa. Z samego tylko konwekcyjnego wznoszenia wynika więc w taki dzień podstawa chmury (wysokość, na której wilgoć kondensuje) wynosi około 1,5 km. Teraz z chmury schodzi wir trąby. Nisko przy ziemi, gdzie działa z zewnątrz normalne ciśnienie atmosferyczne, wir osiąga takie warunki w wąskim strumieniu w samym centrum, o strumieniu 20-30 metrów. Gdy jednak powietrze przesuwa się do góry, ciśnienie powietrza na zewnątrz wiru spada. Gradient ciśnienia w wirze, umożliwiający spadek ciśnienia o przykładowo 200 hPa w stosunku do zewnętrza, zaczyna więc wytwarzać potrzebne graniczne ciśnienie w większej odległości od środka wiru. Widoczna chmura w wirze się poszerza a my widzimy trąbę, w kształcie... trąby. 

Czasem warunki nie są zbyt sprzyjające, a wir stosunkowo słaby, wtedy u podstawy chmury widać krótki lejeczek, nie dochodzący nawet do połowy odległości. Pod nim ciężko coś zobaczyć aż niewidzialny wir dotrze do ziemi i zacznie porywać kurz i szczątki zniszczonych obiektów. A czasem nie widać i takiego lejeczka. Po trąbie powietrznej w Bydgoszczy kilka lat temu, która zniszczyła garaże na jednym z osiedli, osoby stojące blisko widziały tylko wir kurzu i szczątków przy ziemi a powyżej nie było nic. Myślano nawet, że był to silny diabełek pyłowy, czyli przyziemne zawirowanie ciepłego powietrza. Dopiero zdjęcia z większego oddalenia pokazały wzór zawirowania w chmurze oraz słabo widoczne przedłużenie od ziemi powstałe z wciągniętego na dużą wysokość kurzu. Tak więc zazwyczaj funnel cloud pojawia się w tornadzie, ale może pojawić się w zalążku, który nie dotarł do ziemi, oraz może nie pojawić się w faktycznym tornadzie, które miało słabe warunki.

A jak to było z moją obserwacją?

31 sierpnia, po godzinie 16 nad wieś nad Bugiem, koło Terespola, nadeszło pasmo ciemnych i nisko się zwieszających chmur. W oddali widać było, że z innej części tego pasma pada deszcz, ale u mnie było jeszcze sucho. Początkowo moją uwagę zwróciło okrągłe obniżenie podstawy chmury, ale nie było szczególnie interesujące, ot jakiś prąd wstępujący bez wirowania. Niemniej właśnie to sprawiło, że wyszedłem na podwórko i po innej stronie zauważyłem dziwny kształt zwieszający się z chmury. Trochę jaśniejsze pasmo o ostrej granicy. Zauważyłem je około 16:35 i przypatrywałem się mu kilka minut zastanawiając się, czy to nie jest taki regularny fractus, czyli strzęp chmury powstały w miejscy liniowego strumienia wznoszącego się powietrza. Byłby trochę dziwny, bo nie był poszarpany. Gdy pasmo zaczęło robić się wyraźnie lejkowate poleciałem po aparat. 

 

Popatrzmy na warunki - na skanie radarowym z godziny 17 widać wyraźnie pasmo chmur. Przez kolejną godzinę prawie nie poruszało się ono, bardziej na południe chmury przepływały w tę stronę. To obszar niedaleko centrum niżu, który przynosił w ostatnich dniach intensywne deszcze. Sam środek niżu był wtedy w okolicach Lubina. Najwyraźniej pasmo powstało w miejscu lokalnej strefy zbieżności. W takich miejscach następuje zderzenie różnych strumieni powietrza. W dodatku okolice centrum niżu dodają atmosferze wirowatości. W połączeniu tego z napływem chłodnych mas powietrza dostajemy niezłe warunki na powstanie lejków w chłodnym powietrzu. Tak było i tutaj.

 

Lejek miał gładką, równą strukturę, odróżniającą go od reszty chmur. Był też bardzo trwały, pozostawał w tym samym miejscu od kilku minut. Zrobiłem kilka zdjęć i nakręciłem krótki film, aby upewnić się czy na pewno widać tam ruch wirowy. Na chwilkę niemal całkiem zaniknął po czym odnosił się ponownie. Ostatecznie poszerzył się przy chmurze, tracąc na długości i przestał być odróżnialny od innych strzępków chmury.

Całe zjawisko trwało jakieś 10-15 minut. Długość widocznej części leja nie przekroczyła około 10% odległości do ziemi. Gdybym nie popatrzył na chmury w odpowiednim momencie, byłbym go wcale nie zauważył, bo nie był mocno wyrazisty. Nawet na zdjęciach widać, że nie odcinał się na szarym tle bardzo wyraźnym kontrastem.  

No ale cóż, na bezrybiu i rak ryba. To moja pierwsza obserwacja takiego zjawiska, mimo lat wypatrywania. Kiedyś już przeoczyłem okazałego funnela, sfotografowanego przez kilka osób, który powstał podczas burzy nad Białą Podlaską i której się przypatrywałem, bo pojawił się z tej strony, od której nie mam okna.