Гроза - это исключительно красивое природное явление. как правило, после грозы улучшается погода, воздух становится прозрачен, свеж и чист, насыщен ионами, образующимися при разрядах молнии.
несмотря на это нужно помнить, что гроза в определенных условиях может представлять большую опасность для человека. каждый человек должен знать природу грозового явления, правила поведения во время грозы и методы защиты от молнии.
Гроза - сложный атмосферный процесс, и ее возникновение обусловлено образованием кучево-дождевых облаков. сильная облачность является следствием значительной неустойчивости атмосферы. для грозы характерен сильный ветер, часто интенсивный дождь (снег), иногда с градом. перед грозой (за час, два до грозы) атмосферное давление начинает быстро падать вплоть до внезапного усиления ветра, а затем начинает повышаться.
Грозы можно разделить на местные, фронтальные, ночные, в горах. наиболее часто человек сталкивается с местными или тепловыми грозами. эти грозы возникают только в жаркое время при большой влажности атмосферного воздуха. как правило, возникают летом в полуденное или послеполуденное время (12-16 часов). водяной пар в восходящем потоке теплого воздуха на высоте конденсируется, при этом выделяется много тепла и восходящие потоки воздуха подогреваются. по сравнению с окружающим восходящий воздух теплее, он увеличивается в объеме, пока не превратится в грозовое облако. в больших по размеру грозовых облаках постоянно витают кристаллики льда и капельки воды. в результате их дробления и трения между собой и о воздух образуются положительные и отрицательные заряды, под действием которых возникает сильное электростатическое поле (напряженность электростатического поля может достигать 100 000 В/м). и разница потенциалов между отдельными частями облака, облаками или облаком и землей достигает громадных величин. при достижении критической напряженности электрического воздуха возникает лавинообразная ионизация воздуха - искровой разряд молнии.
Фронтальная гроза возникает, когда массы холодного воздуха проникают в район, где преобладает теплая погода. холодный воздух вытесняет теплый, при этом последний поднимается на высоту 5-7 км. теплые слои воздуха вторгаются внутрь вихрей различной направленности, образуется шквал, сильное трение между слоями воздуха, что способствует накоплению электрических зарядов. длина фронтальной грозы может достигать 100 км. в отличие от местных гроз после фронтальных обычно холодает.
ночная гроза связана с охлаждением земли ночью и образованием вихревых токов восходящего воздуха.
гроза в горах объясняется разницей в солнечной радиации, которой подвергаются южные и северные склоны гор. ночные и горные грозы несильные и непродолжительные.
Грозовая активность в различных района нашей планеты различна. мировые очаги гроз: остров ява - 220, экваториальная африка - 150, южная мексика - 142, панама - 132, центральная бразилия - 106 грозовых дней в году. россия: мурманск - 5, архангельск - 10, с-петербург - 15, москва - 20 грозовых дней в году.
Как правило, чем южнее (для северного полушария Земли) и севернее (для южного полушария Земли), тем выше грозовая активность. грозы в арктике и антарктике очень редки. на Земле в год происходит 16 миллионов гроз. на каждый квадратный километр поверхности Земли приходится 2-3 удара молнии в год. в землю чаще всего ударяют молнии из отрицательно заряженных облаков.
по виду молнии различаются на линейные, жемчужные и шаровые. жемчужные и шаровые молнии довольно редкое явление.
Распространенная линейная молния , с которой многократно встречается любой человек, имеет вид разветвляющейся линии. величина силы тока в канале линейной молнии составляет в среднем 60 - 170 кА, зарегистрирована молния с током 290 кА. средняя молния несет энергию 250 кВт/час (900 Мдж). энергия, в основном, реализуется в виде световой, тепловой и звуковой энергий.
Разряд развивается за несколько тысячных долей секунды; при столь высоких токах воздух в зоне канала молнии практически мгновенно разогревается до температуры 30 000-33 000° С. в результате резко повышается давление, воздух расширяется - возникает ударная волна, сопровождающаяся звуковым импульсом - громом.
Перед и во время грозы изредка в темное время на вершинах высоких заостренных объектов (макушках деревьев, мачтах, вершинах острых скал в горах, крестах церквей, молниеотводах, иногда в горах у людей на голове, поднятой руке или у животных) можно наблюдать свечение, получившее название «огни святого эльма». это название дано в древности моряками, наблюдавшими свечение на вершинах мачт парусников.
Свечение возникает из-за того, что на высоких заостренных предметах напряженность электрического поля, создаваемого статическим электрическим зарядом облака, особенно высока; в результате начинается ионизация воздуха, возникает тлеющий разряд и появляются красноватые языки свечения, временами укорачивающиеся и опять удлиняющиеся. не следует пытаться тушить эти огни, т.к. горения нет. при высокой напряженности электрического поля может появиться пучок светящихся нитей - коронный разряд, который сопровождается шипением. линейная молния также изредка может возникнуть и при отсутствии грозовых облаков. не случайно возникла поговорка - «гром среди ясного неба».
жемчужная молния очень редкое и красивое явление. появляется сразу после линейной молнии и исчезает постепенно. преимущественно разряд жемчужной молнии следует по пути линейной. молния имеет вид светящихся шаров, расположенных на расстоянии 7-12 м друг от друга, напоминая собой жемчуг, нанизанный на нитку. жемчужная молния может сопровождаться значительными звуковыми эффектами.
шаровая молния также довольно редка. на тысячу обычных линейных молний приходится 2-3 шаровых. шаровая молния, как правило, появляется во время грозы, чаще к ее концу, реже после грозы. возникает, но очень редко, при полном отсутствии грозовых явлений. может иметь форму шара, эллипсоида, груши, диска и даже цепи соединенных шаров. цвет молнии - красный, желтый, оранжево-красный, окружена светящейся пеленой. иногда молния ослепительно белая с очень резкими очертаниями. цвет определяется содержанием различных веществ в воздухе. форма и цвет молнии могут меняться во время разряда. измерить параметры шаровой молнии и смоделировать ее в лабораторных условиях не удалось. по всей видимости, многие наблюдаемые неопознанные летающие объекты (НЛО) по своей природе аналогичны или близки шаровой молнии. подробнее о природе шаровой молнии можно прочитать
Грозовые разряды (молнии ) - это наиболее распространенный источник мощных электромагнитных полей естественного происхождения. Молния представляет собой разновидность газового разряда при очень большой длине искры. Общая длина канала молнии достигает нескольких километров, причем значительная часть этого канала находится внутри грозового облака. молнии Причиной возникновения молний является образование большого объемного электрического заряда.
Обычным источником молний являются грозовые кучево-дождевые облака, несущие в себе скопление положительных и отрицательных электрических зарядов в верхней и нижней частях облака и образующие вокруг этого облака электрические поля возрастающей напряженности. Образование таких объемных зарядов различной полярности в облаке (поляризация облака) связано с конденсацией вследствие охлаждения водяных паров восходящих потоков теплого воздуха на положительных и отрицательных ионах (центрах конденсации) и разделением заряженных капелек влаги в облаке под действием интенсивных восходящих тепловых воздушных потоков. Из-за того, что в облаке образуется несколько изолированных друг от друга скоплений зарядов (в нижней части облака скапливаются преимущественно заряды отрицательной полярности).
Грозовые разряды по внешним признакам могут быть разделены на несколько типов. Обычный тип - линейная молния , с разновидностями: ленточная, ракетообразная, зигзагообразная и разветвленная. Наиболее редкий тип разрядов - шаровая молния. Известны разряды, носящие названия "Огни святого Эльма" и "Свечение Анд". Молния обычно бывает многократной, т.е. состоит из нескольких единичных разрядов, развивающихся по одному и тому же пути, причем каждый разряд, так же как и разряд, получаемый в лабораторных условиях, начинается лидерным и завершается обратным (главным) разрядом. Скорость опускания лидера первого единичного разряда примерно равна 1500 км/с, скорости лидеров последующих разрядов достигают 2000 км/с, а скорость обратного разряда изменяется в пределах 15000 -150000 км/с, т. е. от 0,05 до 0,5 скорости света. Канал лидера, как и канал всякого стримера, заполнен плазмой, следовательно, обладает определенной проводимостью.
Верхним концом лидерный канал соединен с одним из заряженных центров в облаке, поэтому часть зарядов этого центра стекает в канал лидера. Распределение заряда в канале должно быть неравномерным, возрастая к его концу. Однако некоторые косвенные измерения позволяют предположить, что абсолютная величина заряда на головке лидера невелика и в первом приближении канал можно считать равномерно заряженным с линейной плотностью зарядов S. Общий заряд в канале лидера в этом случае равен Q = S*l, где l - длина канала, причем обычно значение его составляет около 10% значения заряда, стекающего в землю во время единичного разряда молнии. В 70-80% всех случаев этот заряд имеет отрицательную полярность. По мере продвижения канала лидера под действием создаваемого им электрического поля в земле происходит смещение зарядов, причем заряды, противоположные по знаку зарядам лидера (обычно это положительные заряды), стремятся расположиться как можно ближе к головке лидерного канала. В случае однородного грунта эти заряды скапливаются непосредственно под лидерным каналом.
Если грунт неоднородный и основная его часть обладает большим удельным сопротивлением, заряды сосредоточиваются в участках с повышенной проводимостью (реки, грунтовые воды). При наличии заземленных возвышающихся объектов (молниеотводы, дымовые трубы, высокие здания, смоченные дождем деревья) заряды стягиваются к вершине объекта, создавая там значительную напряженность поля. На первых стадиях развития лидерного канала напряженность электрического поля на его головке определяется собственными зарядами лидера и находящимися под облаком скоплениями объемных зарядов. Траектория движения лидера не связана с земными объектами. По мере опускания лидера все большее влияние начинают оказывать скопления зарядов на земле и возвышающихся объектах. Начиная с определенной высоты головки лидера (высота ориентировки), напряженность поля по одному из направлений оказывается наибольшей, и происходит ориентирование лидера на один из наземных объектов. Естественно, что при этом преимущественно поражаются возвышающиеся объекты и участки земли с повышенной проводимостью (избирательная поражаемость). С очень высоких объектов навстречу лидеру развиваются встречные лидеры, наличие которых способствует ориентированию молнии на данный объект.
После того, как канал лидера достигнет земли или встречного лидера, начинается обратный разряд, во время которого канал лидера приобретает потенциал, практически равный потенциалу земли. На головке развивающегося вверх обратного разряда имеется область повышенной напряженности электрического поля, под действием которой происходит перестройка канала, сопровождающаяся увеличением плотности зарядов плазмы от 10^13 - 10^14 до 10^16 - 10^19 1/м3, благодаря чему проводимость канала увеличивается по крайней мере в 100 раз. Во время развития обратного разряда через место удара проходит ток iM = v, где v - скорость обратного разряда. Процесс, происходящий при переходе лидерного разряда в обратный разряд, во многом аналогичен процессу замыкания на землю вертикального заряженного провода.
Если заряженный провод замыкается на землю через сопротивление r, то ток в месте заземления равен: где z = волновое сопротивление провода. Таким образом, и при разряде молнии ток в месте удара будет равен v только при сопротивлении заземления, равном нулю. При сопротивлениях заземления, отличных от нуля, ток в месте удара уменьшается. Количественно определить это уменьшение довольно трудно, так как волновое сопротивление канала молнии можно оценить лишь грубо приближенно. Имеются основания предполагать, что волновое сопротивление канала молнии уменьшается при увеличении тока, причем среднее значение примерно равно 200 - 300 Ом. В таком случае при изменении сопротивления заземления объекта от 0 до 30 Ом ток в объекте изменяется всего на 10%. Такие объекты в дальнейшем мы будем называть хорошо заземленными и считать, что через них проходит полный ток молнии iM = v. Основные параметры молнии и интенсивность грозовой деятельности Молнии с большими токами возникают крайне редко. Так, молнии с токами 200 кА возникают в 0,7...1,0% случаев от общего числа наблюдавшихся разрядов.
Число случаев ударов молний с величиной тока 20 кА составляет порядка 50%. Поэтому принято значения амплитуд токов молний представлять в виде кривых вероятностей (функций распределения), для которых по оси ординат откладывается вероятность появления токов молнии с максимальным значением. Основной количественной характеристикой молнии является ток, протекающий через пораженный объект, который характеризуется максимальным значением iM, средней крутизной фронта и длительностью импульса tи, которая равна времени уменьшения тока до половины максимального значения. В настоящее время наибольшее количество данных имеется по максимальным значениям тока молнии, измерение которой осуществляется простейшими измерительными приборами - магниторегистраторами, которые представляют собой цилиндрические стерженьки, изготовленные из стальных опилок или проволочек, запрессованных в пластмассу. Магниторегистраторы укрепляются вблизи возвышающихся объектов (молниеотводы, опоры линий передач) и располагаются вдоль силовых линий магнитного поля, которое возникает при прохождении тока молнии через объект. Так как для изготовления регистраторов применяются материалы, обладающие большой коэрцитивной силой, они сохраняют большую остаточную намагниченность.
Измеряя эту намагниченность, можно с помощью градуировочных кривых определить максимальное значение на магничивающего тока. Измерения магниторегистраторами не обеспечивают большой точности, однако этот недостаток частично компенсируется огромным количеством измерений, которые к настоящему времени исчисляются десятками тысяч. Располагая вблизи от поражаемого объекта рамку, замкнутую на индуктивную катушку, можно измерить крутизну тока молнии с помощью магниторегистратора, помещенного внутри катушки. Измерения показали, что токи молнии изменяются в широких пределах от нескольких килоампер до сотен килоампер, поэтому результаты измерения представляются в виде кривых вероятностей (функций распределения) токов молнии, на которых по оси абсцисс откладывается вероятность появления токов молнии с максимальным значением, превышающим значение, указываемое ординатой.
В Украине при расчетах грозозащиты используется кривая Для горных местностей ординаты кривой уменьшаются в 2 раза, так как при малых расстояниях от земли до облаков молния возникает при меньшей плотности зарядов в скоплениях, т. е. вероятность больших токов уменьшается. Значительно большие трудности представляет экспериментальное определение крутизны и длительности импульса тока молнии, поэтому количество экспериментальных данных по этим параметрам относительно невелико. Длительность импульса тока молнии в основном определяется временем распространения обратного разряда от земли до облака и в связи с этим изменяется в относительно узких пределах от 20 до 80-100 мкс. Средняя длительность импульса тока молнии близка к 50 мкс, что и определило выбор стандартного импульса.
Наиболее важными с точки зрения оценок грозовой стойкости РЭС являются: величина переносимого молнией заряда, ток в канале молнии, число повторных ударов по одному каналу и интенсивность грозовой деятельности. Все эти параметры определяются не однозначно и носят вероятностный характер. Заряд, переносимый молнией, колеблется в процессе разряда в пределах от долей кулона до нескольких десятков кулон. Средний заряд, опускаемый в землю многократной молнией, равен 15 - 25 Кл. Учитывая, что в среднем разряд молнии содержит три компоненты, следовательно, во время одной компоненты в землю переносится около 5 - 8 Кл. Из них в канал лидера стекает около 60% всего данного скопления зарядов, что составляет 3 - 5 Кл. Удар молнии в равнинные участки поверхности земли несет заряд 10 - 50 Кл (в среднем 25 Кл), при ударах молнии в горах - заряд 30 - 100 Кл (в среднем 60 Кл), при разрядах в телевизионные башни заряд достигает 160 Кл.
При разрядах молнии в землю в подавляющем большинстве (85 - 90%) в землю переносится отрицательный заряд. Заряд, стекающий в землю во время многократной молнии, изменяется в пределах от долей кулона до 100 Кл и более. Среднее значение этого заряда близко к 20 Кл. Заряд, спускаемый в землю во время гроз, по-видимому, играет существенную роль в поддержании отрицательного заряда земли. Интенсивность грозовой деятельности в различных климатических районах различается очень сильно. Как правило, количество гроз в течение года минимально в северных районах и постепенно увеличивается к югу, где повышенная влажность воздуха и высокая температура способствуют образованию грозовых облаков. Однако эта тенденция соблюдается не всегда. Существуют очаги грозовой деятельности и в средних широтах (например, в районе Киева), где создаются благоприятные условия для формирования местных гроз.
Интенсивность грозовой деятельности принято характеризовать числом грозовых дней в году или общей годовой продолжительностью гроз в часах. Последняя характеристика более правильна, так как число ударов молнии в землю зависит не от числа гроз, а от их общей продолжительности. Число грозовых дней или часов в году определяется на основании многолетних наблюдений метеорологических станций, обобщение которых позволяет составить карты грозовой деятельности, на которые наносятся линии равной продолжительности гроз - изокеранические линии. Средняя продолжительность гроз за один грозовой день для территории европейской части России и Украины 1,5-2 ч.
Грозовые разряды (молнии ) - это наиболее распространенный источник мощных электромагнитных полей естественного происхождения. Молния представляет собой разновидность газового разряда при очень большой длине искры. Общая длина канала молнии достигает нескольких километров, причем значительная часть этого канала находится внутри грозового облака. молнии Причиной возникновения молний является образование большого объемного электрического заряда.
Обычным источником молний являются грозовые кучево-дождевые облака, несущие в себе скопление положительных и отрицательных электрических зарядов в верхней и нижней частях облака и образующие вокруг этого облака электрические поля возрастающей напряженности. Образование таких объемных зарядов различной полярности в облаке (поляризация облака) связано с конденсацией вследствие охлаждения водяных паров восходящих потоков теплого воздуха на положительных и отрицательных ионах (центрах конденсации) и разделением заряженных капелек влаги в облаке под действием интенсивных восходящих тепловых воздушных потоков. Из-за того, что в облаке образуется несколько изолированных друг от друга скоплений зарядов (в нижней части облака скапливаются преимущественно заряды отрицательной полярности).
Грозовые разряды по внешним признакам могут быть разделены на несколько типов. Обычный тип - линейная молния , с разновидностями: ленточная, ракетообразная, зигзагообразная и разветвленная. Наиболее редкий тип разрядов - шаровая молния. Известны разряды, носящие названия "Огни святого Эльма" и "Свечение Анд". Молния обычно бывает многократной, т.е. состоит из нескольких единичных разрядов, развивающихся по одному и тому же пути, причем каждый разряд, так же как и разряд, получаемый в лабораторных условиях, начинается лидерным и завершается обратным (главным) разрядом. Скорость опускания лидера первого единичного разряда примерно равна 1500 км/с, скорости лидеров последующих разрядов достигают 2000 км/с, а скорость обратного разряда изменяется в пределах 15000 -150000 км/с, т. е. от 0,05 до 0,5 скорости света. Канал лидера, как и канал всякого стримера, заполнен плазмой, следовательно, обладает определенной проводимостью.
Верхним концом лидерный канал соединен с одним из заряженных центров в облаке, поэтому часть зарядов этого центра стекает в канал лидера. Распределение заряда в канале должно быть неравномерным, возрастая к его концу. Однако некоторые косвенные измерения позволяют предположить, что абсолютная величина заряда на головке лидера невелика и в первом приближении канал можно считать равномерно заряженным с линейной плотностью зарядов S. Общий заряд в канале лидера в этом случае равен Q = S*l, где l - длина канала, причем обычно значение его составляет около 10% значения заряда, стекающего в землю во время единичного разряда молнии. В 70-80% всех случаев этот заряд имеет отрицательную полярность. По мере продвижения канала лидера под действием создаваемого им электрического поля в земле происходит смещение зарядов, причем заряды, противоположные по знаку зарядам лидера (обычно это положительные заряды), стремятся расположиться как можно ближе к головке лидерного канала. В случае однородного грунта эти заряды скапливаются непосредственно под лидерным каналом.
Если грунт неоднородный и основная его часть обладает большим удельным сопротивлением, заряды сосредоточиваются в участках с повышенной проводимостью (реки, грунтовые воды). При наличии заземленных возвышающихся объектов (молниеотводы, дымовые трубы, высокие здания, смоченные дождем деревья) заряды стягиваются к вершине объекта, создавая там значительную напряженность поля. На первых стадиях развития лидерного канала напряженность электрического поля на его головке определяется собственными зарядами лидера и находящимися под облаком скоплениями объемных зарядов. Траектория движения лидера не связана с земными объектами. По мере опускания лидера все большее влияние начинают оказывать скопления зарядов на земле и возвышающихся объектах. Начиная с определенной высоты головки лидера (высота ориентировки), напряженность поля по одному из направлений оказывается наибольшей, и происходит ориентирование лидера на один из наземных объектов. Естественно, что при этом преимущественно поражаются возвышающиеся объекты и участки земли с повышенной проводимостью (избирательная поражаемость). С очень высоких объектов навстречу лидеру развиваются встречные лидеры, наличие которых способствует ориентированию молнии на данный объект.
После того, как канал лидера достигнет земли или встречного лидера, начинается обратный разряд, во время которого канал лидера приобретает потенциал, практически равный потенциалу земли. На головке развивающегося вверх обратного разряда имеется область повышенной напряженности электрического поля, под действием которой происходит перестройка канала, сопровождающаяся увеличением плотности зарядов плазмы от 10^13 - 10^14 до 10^16 - 10^19 1/м3, благодаря чему проводимость канала увеличивается по крайней мере в 100 раз. Во время развития обратного разряда через место удара проходит ток iM = v, где v - скорость обратного разряда. Процесс, происходящий при переходе лидерного разряда в обратный разряд, во многом аналогичен процессу замыкания на землю вертикального заряженного провода.
Если заряженный провод замыкается на землю через сопротивление r, то ток в месте заземления равен: где z = волновое сопротивление провода. Таким образом, и при разряде молнии ток в месте удара будет равен v только при сопротивлении заземления, равном нулю. При сопротивлениях заземления, отличных от нуля, ток в месте удара уменьшается. Количественно определить это уменьшение довольно трудно, так как волновое сопротивление канала молнии можно оценить лишь грубо приближенно. Имеются основания предполагать, что волновое сопротивление канала молнии уменьшается при увеличении тока, причем среднее значение примерно равно 200 - 300 Ом. В таком случае при изменении сопротивления заземления объекта от 0 до 30 Ом ток в объекте изменяется всего на 10%. Такие объекты в дальнейшем мы будем называть хорошо заземленными и считать, что через них проходит полный ток молнии iM = v. Основные параметры молнии и интенсивность грозовой деятельности Молнии с большими токами возникают крайне редко. Так, молнии с токами 200 кА возникают в 0,7...1,0% случаев от общего числа наблюдавшихся разрядов.
Число случаев ударов молний с величиной тока 20 кА составляет порядка 50%. Поэтому принято значения амплитуд токов молний представлять в виде кривых вероятностей (функций распределения), для которых по оси ординат откладывается вероятность появления токов молнии с максимальным значением. Основной количественной характеристикой молнии является ток, протекающий через пораженный объект, который характеризуется максимальным значением iM, средней крутизной фронта и длительностью импульса tи, которая равна времени уменьшения тока до половины максимального значения. В настоящее время наибольшее количество данных имеется по максимальным значениям тока молнии, измерение которой осуществляется простейшими измерительными приборами - магниторегистраторами, которые представляют собой цилиндрические стерженьки, изготовленные из стальных опилок или проволочек, запрессованных в пластмассу. Магниторегистраторы укрепляются вблизи возвышающихся объектов (молниеотводы, опоры линий передач) и располагаются вдоль силовых линий магнитного поля, которое возникает при прохождении тока молнии через объект. Так как для изготовления регистраторов применяются материалы, обладающие большой коэрцитивной силой, они сохраняют большую остаточную намагниченность.
Измеряя эту намагниченность, можно с помощью градуировочных кривых определить максимальное значение на магничивающего тока. Измерения магниторегистраторами не обеспечивают большой точности, однако этот недостаток частично компенсируется огромным количеством измерений, которые к настоящему времени исчисляются десятками тысяч. Располагая вблизи от поражаемого объекта рамку, замкнутую на индуктивную катушку, можно измерить крутизну тока молнии с помощью магниторегистратора, помещенного внутри катушки. Измерения показали, что токи молнии изменяются в широких пределах от нескольких килоампер до сотен килоампер, поэтому результаты измерения представляются в виде кривых вероятностей (функций распределения) токов молнии, на которых по оси абсцисс откладывается вероятность появления токов молнии с максимальным значением, превышающим значение, указываемое ординатой.
В Украине при расчетах грозозащиты используется кривая Для горных местностей ординаты кривой уменьшаются в 2 раза, так как при малых расстояниях от земли до облаков молния возникает при меньшей плотности зарядов в скоплениях, т. е. вероятность больших токов уменьшается. Значительно большие трудности представляет экспериментальное определение крутизны и длительности импульса тока молнии, поэтому количество экспериментальных данных по этим параметрам относительно невелико. Длительность импульса тока молнии в основном определяется временем распространения обратного разряда от земли до облака и в связи с этим изменяется в относительно узких пределах от 20 до 80-100 мкс. Средняя длительность импульса тока молнии близка к 50 мкс, что и определило выбор стандартного импульса.
Наиболее важными с точки зрения оценок грозовой стойкости РЭС являются: величина переносимого молнией заряда, ток в канале молнии, число повторных ударов по одному каналу и интенсивность грозовой деятельности. Все эти параметры определяются не однозначно и носят вероятностный характер. Заряд, переносимый молнией, колеблется в процессе разряда в пределах от долей кулона до нескольких десятков кулон. Средний заряд, опускаемый в землю многократной молнией, равен 15 - 25 Кл. Учитывая, что в среднем разряд молнии содержит три компоненты, следовательно, во время одной компоненты в землю переносится около 5 - 8 Кл. Из них в канал лидера стекает около 60% всего данного скопления зарядов, что составляет 3 - 5 Кл. Удар молнии в равнинные участки поверхности земли несет заряд 10 - 50 Кл (в среднем 25 Кл), при ударах молнии в горах - заряд 30 - 100 Кл (в среднем 60 Кл), при разрядах в телевизионные башни заряд достигает 160 Кл.
При разрядах молнии в землю в подавляющем большинстве (85 - 90%) в землю переносится отрицательный заряд. Заряд, стекающий в землю во время многократной молнии, изменяется в пределах от долей кулона до 100 Кл и более. Среднее значение этого заряда близко к 20 Кл. Заряд, спускаемый в землю во время гроз, по-видимому, играет существенную роль в поддержании отрицательного заряда земли. Интенсивность грозовой деятельности в различных климатических районах различается очень сильно. Как правило, количество гроз в течение года минимально в северных районах и постепенно увеличивается к югу, где повышенная влажность воздуха и высокая температура способствуют образованию грозовых облаков. Однако эта тенденция соблюдается не всегда. Существуют очаги грозовой деятельности и в средних широтах (например, в районе Киева), где создаются благоприятные условия для формирования местных гроз.
Интенсивность грозовой деятельности принято характеризовать числом грозовых дней в году или общей годовой продолжительностью гроз в часах. Последняя характеристика более правильна, так как число ударов молнии в землю зависит не от числа гроз, а от их общей продолжительности. Число грозовых дней или часов в году определяется на основании многолетних наблюдений метеорологических станций, обобщение которых позволяет составить карты грозовой деятельности, на которые наносятся линии равной продолжительности гроз - изокеранические линии. Средняя продолжительность гроз за один грозовой день для территории европейской части России и Украины 1,5-2 ч.
В 1992 году российский физик Александр Гуревич из Физического института им. П. Н. Лебедева РАН предположил, что молнии вызываются космическими лучами, которые попадают в атмосферу Земли.
Нет, конечно, все мы слышали о гипотезе Бенджамина Франклина, согласно которой молния — это разряд, возникающий между облаками и поверхностью Земли просто из-за разницы в их зарядах. В этой концепции, однако, есть довольно уязвимое место. Для возникновения разряда необходимо, чтобы между облаками и поверхностью (или соседними облаками) была слишком уж большая разница по зарядам. Как выяснилось из информации, полученной метеозондами в 1990-х, на практике наблюдается не более одной десятой такой разницы. Тем не менее молнии, похоже, всё же случаются. Так за счёт чего?
Александр Гуревич и Ко полагают, что высокоэнергетические частицы в атмосфере запускают процесс, названный пробой на убегающих электронах (ПУЭ). А «спусковым крючком» ПУЭ служат космические лучи. Эти потоки заряженных частиц, в основном протонов, порождаемые далёкими вспышками сверхновых (и другими процессами), попадая в атмосферу и сталкиваясь с ядрами атомов воздуха, вызывают лавинообразный процесс образования свободных электронов со значительной энергией (широкие атмосферные ливни).
Электрические поля в грозовых облаках разгоняют электроны до околосветовых скоростей. Дальнейшие столкновения электронов с атомами воздуха рождают дополнительные свободные электроны, а также рентгеновское и гамма-излучение («тёмные молнии», о которых «КЛ» не устаёт писать), переходящие в нити электрических разрядов — стримеры, хорошо проводящие каналы, при слиянии которых возникает термоионизованный канал с высокой проводимостью (он же ступенчатый лидер молнии).
В теории всё выглядит очень стройно: ПУЭ появляется в атмосфере в постоянном электрическом поле, на порядок меньшем поля обычного пробоя, то есть при наличии космических лучей наблюдаемых атмосферных электрических полей наконец-то достаточно, чтобы объяснить феномен как тёмной молнии, так и её видимого аналога.
Но вплоть до самого последнего времени всё это оставалось лишь теорией: не было конкретных свидетельств того, что именно космические лучи ответственны за начало пробоя на убегающих электронах.
Увы, воспроизвести такие процессы в лаборатории оказалось довольно трудно, и дело не только в том, что для этого нужно напряжение в 10 млн вольт. Давно известно, что космические лучи, входя в земную атмосферу, генерируют радиоимпульсы, и во время гроз радиоимпульсов со сходными параметрами больше, чем когда гроз нет.
Чтобы сверить гипотезу с наблюдениями, Александр Гуревич и Анатолий Караштин из Научно-исследовательского радиофизического института (Нижний Новгород) проанализировали данные от радиоинтерферометров, снятые при 3 800 ударах молний над Россией и Казахстаном. Поскольку радиоинтерферометры позволяют привязать зарегистрированные ими радиоволны к конкретным направлениям, учёным удалось недвусмысленно соотнести сотни и даже тысячи коротких и сильных радиоимпульсов с моментами, прямо предшествовавшими ударам молний. Более того, оказалось, что конкретные параметры радиоимпульсов совпадают с теоретически предсказанными особенностями их генерации космическими лучами.
Так что же, выходит, наблюдения всё объяснили? На самом деле, хотя и подтвердилось, что космические лучи играют роль «затравки» для тёмных и сопровождающих их обычных молний, осталась важная неясность. Над Россией и Казахстаном просто нет такого количества космических лучей необходимых энергий, чтобы породить наблюдаемый «обвал» молний.
Чтобы объяснить это «несоответствие», физики проанализировали характер возможного взаимодействия зафиксированных радиоинтерферометрами волн с каплями воды и градинами (гидрометеорами). Выяснилось, что, когда электроны низких энергий, сопутствующие свободным электронам высоких энергий, проходят мимо капель и градин в атмосфере, запускается ряд микроразрядов, радикально усиливающих как электрическое поле в районе возникновения будущей молнии, так и радиоимпульс, позднее регистрировавшийся приборами.
Вверху: частота попаданий космических лучей в атмосферу Земли. Внизу: частота ударов молний на единицу площади. Хорошо видно, что одних космических лучей мало для генерации молний: им нужно взаимодействие с каплями воды.
Природа молний была разгадана еще в 1749 году американским естествоиспытателем Бенджаменом Франклином, который установил, что молнии - это электрические разряды между грозовым облаком и землей. До сих пор ученые полагали, что при накоплении отрицательных зарядов в облаке между ним и поверхностью возникает электрическое поле, и когда оно достигает определенной пороговой энергии, возникает "пробой" и происходит электрический разряд - молния.
"Все бы замечательно, но расчетное значение порогового поля в десять раз превосходит реально наблюдаемое значение электрического поля, при котором возникают молнии", - сказал один из участников исследовательской группы Гуревича - член-корреспондент РАН Кирилл Зыбин. "Нужна какая-то затравка для молнии, по-видимому, требуются затравочные частицы достаточно больших энергий. В природных условиях такими естественными частицами являются космические лучи", - сообщил собеседник агентства.
Он и его коллеги выяснили, что с возникновением молний связано явление, названное "пробоем на убегающих электронах" - лавинообразное размножение в веществе быстрых электронов с энергией 0,1-10 мегаэлектронвольт, причиной чего, в свою очередь, является действие космических излучений. Потоки частиц высоких энергий, проникающие в атмосферу, поставляют "затравочные электроны", которые и провоцируют пробой при полях в десять раз меньших, чем требовала прежняя теория.
"Конечно, сказать, что молния - это пробой на убегающих электронах, нельзя. Но они связаны. В обычных разрядах не могли появляться такие большие энергии в гамма-квантах", - сообщил Зыбин. По его словам, экспериментальная проверка теории вызывает большие сложности: при нормальных атмосферных условиях длина "лавины", возникающей при пробое, достигает 50 метров.
"В этом случае вам надо строить огромные машины, прикладывать очень большие поля. Но такие условия естественно реализуются в грозовой атмосфере", - сказал он. Еще один эффект, связанный с молниями, - гамма-вспышки. Молнии двигаются не равномерно, а скачками - "степами". Ученые обнаружили, что при каждом "степе" излучаются гамма-кванты энергией в десятки мегаэлектронвольт.
По словам Зыбина, на высокогорной станции ФИАНа на Тянь-Шане проводятся эксперименты по изучению молний в "естественной среде". "Там расставлены счетчики и измеряется гамма-излучение, причем отсчеты идут через очень короткие промежутки времени. Можно сказать однозначно, в отсутствие грозы никаких сигналов нет, когда же начинается гроза, начинаются сильные вспышки, гамма-всплески, они коррелируют с радиоимпульсами, которые вызваны грозовыми процессами", - сказал ученый.
Он отметил, что изучение механизмов образования молний позволит понять обнаруженные в последнее время явления, в частности, гигантские высотные разряды между грозовыми облаками и ионосферой ("спрайт").
По мнению ученых ФИАНа, эти исследования дают новые возможности и в анализе климатических изменений, и в механизмах воздействия на атмосферу.
