Рис. 7.1.
Молния – самый мощный на планете природный источник электромагнитных помех. Чтобы понять, как защищаться от молнии, обзорно познакомимся с её физикой. Хотя человечеству до сих пор не всё ясно с процессами в молнии, но основные её параметры изучены.
Молния это большая электрическая искра пробоя в конденсаторе облако-земля. Зарядом этот конденсатор снабжает трение диэлектрика (электризация, см. 2.2.2): вертикальные потоки предгрозового воздуха, пылевые бури, метели, извержения вулканов. При достижении критической для воздуха напряженности поля конденсатор пробивается. Но разберемся глубже.
На серии фото рис. 7.1, сделанных скоростной камерой, показаны стадии развития нисходящей линейной молнии.
История разряда рис 7.1 начинается за несколько сотен миллисекунд до времени, отмеченного 0 на рис. 7.1г (начало основного разряда, который мы и называем ударом молнии). В это время в заряженном грозовом облаке началась ударная ионизация газа в виде слабосветящегося шнура диаметром несколько мм. Нижний конец этого шнура представляет собой сгусток светящейся плазмы и называется лидером.
Лидер двинулся в направлении земли. Он движется рывками-ступенями (отчего и называется ступенчатым лидером), в разные стороны и совсем не по кратчайшему пути. Каждый рывок, длиной в несколько десятков метров, лидер совершает с огромной скоростью: километры в секунду. А затем замирает на десятки микросекунд, в течение которых набирается новых зарядов, стекающих из тучи. Они не могут двигаться с огромной скоростью лидера, поэтому ему приходится делать остановки, чтобы подождать пока натекут отстающие заряды. Светящийся канал между лидером и облаком заполнен этими зарядами и называется путем нисходящего ступенчатого лидера.
Направление каждого следующего рывка движения ступенчатого лидера в значительной мере случайно. Оно зависит от того, где в данный момент легче пробить несколько десятков метров воздуха. То есть от наличия в воздухе проводящих примесей, например ионизированных частиц. Они возникают, прежде всего, от высокоэнергетических космических лучей, которые и ионизируют воздух на своем пути. Поэтому, путь лидера весьма причудлив (он может двигаться и вбок, и вверх) и представляет собой хаотичную ломанную. В процессе движения ступенчатый лидер часто разделяется на несколько.
На рис 7.1а сфотографирован типичный путь ступенчатого лидера, пробивающегося к земле. Лидер разделился на четыре, к земле по ломаным траекториям идут нижние два лидера. Какой из них первым достигнет земли, и в какой точке пока непонятно. До начала основного разряда еще 3,7 мс.
Рис. 7.1б, до разряда 1,25 мс. Ясно, что первым придет к земле правый нижний лидер.
Рис. 7.1в, до разряда 0,14 мс. Правый нижний лидер приблизился к земле на несколько десятков метров. Напряженность электрического поля между ним и землей возрастает настолько, что из земли возникает и начинает расти вверх встречный лидер. Он короткий единицы … десятки метров. На рис. 7.1в встречный лидер виден слабо, присмотритесь. Место старта встречного лидера (забегая чуть вперед – это будет местом удара основного разряда молнии) определяется напряженностью электрического поля между ступенчатым лидером и землей. А она будет максимальна там где:
Расстояние от ступенчатого лидера до земли минимально.
Меньше радиус кривизны поверхности (п. 2.2.1), т.е. на выступающих остриях и неровностях. Таких как трубы, мачты, деревья, столбы или просто местная возвышенность.
На рис. 7.1в явно последний вариант: встречный лидер стартует с какого-то мелкого бугорка, не видимого на снимке из-за растительности.
Рис. 7.1г, Ступенчатый и встречный лидеры соединились. Теперь грозовое облако соединено с землей сплошным шнуром проводящей плазмы от путей лидеров. Начинается основной разряд. Сопротивление земли гораздо ниже, чем канала лидера (проводимость земля хоть и неважная, но зато у неё большая площадь, а проводимость пути лидера хоть и высока, но он тонкий). Заряды внизу канала быстро стекают в землю. От этого нижняя часть канала резко нагревается (её сопротивление выше, чем у земли) до 20 … 30 тысяч градусов. Канал расширяется в диаметре до нескольких сантиметров, ионизируется до очень хорошо проводящей плазмы и ярко светится. На фото рис. 7.1в, это выглядит так, будто разряд начинается от земли.
Поскольку нижняя часть канала резко уменьшила свое сопротивление, то всё, что происходило ранее с ней, теперь происходит с верхними частями канала. И за несколько микросекунд (1 … 20) вспыхивает весь канал (наблюдать это на фото рис. 7.1 нельзя, не хватило быстродействия камеры, она снимает раз в 140 мкс, а чтобы увидеть подъем раскаленного разряда от земли к облаку надо бы снимать раз в 100 быстрее).
Теперь грозовое облако и земля соединены очень хорошо проводящим каналом раскаленного ионизированного газа. И через него начинается основной разряд. Заряд облака стекает в землю. Это длится несколько сотен микросекунд (200 … 1000) и показано на рис. 7.1д, е. За это время в землю стекает тот заряд, который облако могло отдать в этот канал разряда. Разряд кончается не скачком, а затухает плавно, рис. 7.1ё, ж, з.
Основная вспышка (стадии рис. 7.1в – ж) в быту называется молнией (хотя это только часть из её стадий). Раскаленный разрядом воздух расширяется как при взрыве (тоже расширение горячего газа), образуя акустический удар – гром. Т.к. скорость звука намного ниже скорости света, то посчитав интервал между вспышкой молнии и громом можно определить расстояние от вас до канала разряда.
Но ионизированный канал воздуха не рассеивается мгновенно и продолжает существовать еще несколько десятков…сотен миллисекунд после окончания первого разряда (рис. 7.1и – к). За это время грозовое облако часто успевать «подогнать» к каналу столько зарядов, что их хватает на второй разряд (рис. 7.1л). Он идёт уже по тому уже пробитому пути первого разряда, без полета ступенчатого лидера. Случается до нескольких повторных разрядов по одному пути.
Типичная картина изменения напряженности электрического поля у земли при ударе молнии показана на рис. 7.2.
Виден фронт разряда длительностью около 10 мкс и спадающий основной разряд ~400 мкс. Интересно обратить внимание на зубцы графика до начала основного разряда. Это следы от рывков ступенчатого лидера, приближающегося к земле.
Кстати, хорошо слышимый раскатистый треск перед основным разрядом, это следствие импульсного нагревания воздуха при ступенчатом движении лидера. Нагревание это намного меньше, чем при основном разряде, но вполне достаточное, чтобы это треск был хорошо слышен.
В зависимости от исходного заряда грозовой тучи бывают разряды положительной и отрицательной полярностей. Положительные заряды встречаются в среднем в 10% случаев (в зависимости от места от 5 до 50%). Они более мощные по току и длительности, но скорость нарастания тока в них меньше [15].
Первый импульс разряда имеет следующие параметры:
Длительность фронта. Положительный разряд 10 … 20 мкс, отрицательный 1 … 5 мкс.
Пиковый ток 1… 500 кА (наиболее частые значения 10 … 40 кА, токи выше 100 кА наблюдаются менее чем в 1% случаев). Кстати, измеряется этот ток по уровню остаточной намагниченности молниеотводов, в которых ударила молния.
Длительность разряда 100 … 1000 мкс (по уровню спадания тока вдвое).
Переносимый заряд 5 … 100 кЛ.
~70% случаев после первого импульса по тому же пути идут последующие разряды. Амплитуда тока в них меньше: средняя 10 кА, максимум 50 кА. Меньше и длительность: фронт 0,25…1 мкс, спад 100 мкс.
Весь разряд (все импульсы) длится 0,2 … 1,5 с и переносит заряд 10 … 300 Кл (медианное значение 20 кЛ).
Помимо рассмотренной выше самой распространенной линейной молнии исследователи различают еще несколько разных видов молний. Но здесь мы их рассматривать не будем, т.к. их электромагнитное воздействие слабее, чем линейной.