Развитие грозового разряда.

Разряд молнии аналогичен в основных чертах разряду в длинных промежутках. Условия для развития молнии создаются в том месте облака, где образовались скопления зарядов и электрическое поле с напряженностью, равной критическому значению. В этом месте начинается процесс ударной ионизации, создаются лавины электронов, под воздействием фотоионизации и термоионизации образуются стримеры, которые преобразуются в лидеры.

Рис. 10. Схема образования отрицательного лидера

Рис. 11. Линейная молния, развернутая во времени: а — оптическая картина; б — токовая картина; /л — ток лидера; /г р—ток главного разряда; /_ — ток после свечения

Молния может иметь длину от нескольких сотен метров до нескольких километров (в среднем 5 км). Лидерная форма развития молнии позволяет ей перекрывать такие расстояния. Глазу человека молния представляется в виде сплошной непрерывной линии — узкой яркой полосы или нескольких полос белого, светло-голубого или ярко-розового цвета. В действительности разряд молнии состоит из нескольких отдельных импульсов. Каждый импульс имеет две стадии: начальную, которая называется лидерной, и главный разряд. Если импульсы развернуть во времени, как это показано на рис. 11, то видно, что разряд лидерной стадии первого импульса развивается ступенями. Средняя линия ступени составляет примерно 50 м, а пауза между отдельными ступенями — 30—90 мкс. Средняя скорость продвижения лидера составляет 107—108 см/с. Задержки в развитии ступенчатого лидера объясняются по-разному. Согласно одной гипотезе, задержка происходит из-за того, что для развития лидера должно происходить движение электронов вниз по каналу ведущего стримера, чтобы обеспечить возникновение необходимого градиента потенциала, а на это требуется некоторое время. Это время и является паузой между отдельными ступенями. Второй и последующие импульсы имеют стреловидную форму лидерной стадии, а не ступенчатую. Так как они развиваются по ионизированному каналу, то необходимость в ступенчатом лидере отпадает. При достижении земли лидером первого импульса образуется хорошо проводящий ионизированный канал. Заряд с конца лидера быстро стекает в землю. Этот момент является началом второй стадии грозового разряда, который называется главным (обратным) разрядом. Главный разряд распространяется в виде сплошной светящейся линии от земли к облаку (линейная молния). Как только главный разряд достигает облака, свечение канала ослабевает. Фаза слабого свечения называется послесвечением. Повторных импульсов в одном разряде молнии может быть до 20 и более, продолжительность одного разряда молнии достигает 1,33 с. Примерно в 40% случаев разряд молнии имеет многократный характер, в среднем с тремя-четырьмя импульсами в одном разряде. Происхождение повторных импульсов объясняется постепенным притоком зарядов в облаке к каналу молнии.

Избирательность грозового разряда.

На первых стадиях развития лидерного канала молнии напряженность электрического поля на его головке определяется собственными зарядами лидера и находящимися под облаком скоплениями объемных зарядов. Направление разряда определяется максимальными напряженностями электрического поля. На больших высотах это направление устанавливается исключительно самим каналом лидера (рис. 12,а). При приближении лидерного канала молнии к земной поверхности на его электрическое поле начинают влиять поля земли и наземных сооружений. Максимальные напряженности на пути лидера молнии и, следовательно, его направление определяются не только его собственными зарядами, но и зарядами, скопившимися на земле и на наземных сооружениях (рис. 12,6). Высота Н головки лидера над землей, при которой влияние на поле лидера электрического поля зарядов, скопившихся на земле и на наземных сооружениях, становится таким, что в направлении одного из наземных объектов происходит наибольшее усиление напряженности поля и ориентирование лидера в этом направлении, называется высотой ориентировки молнии. Эта высота тем больше, чем больше электрических зарядов содержит канал лидера.

Рис. 12. Направление, выбранное для развития грозового разряда: а — лидер на большой высоте; б — лидер на малой высоте

Постепенное продвижение лидера молнии по нанравлению к земле и главного разряда от земли к облаку в случае ровной поверхности земли показано на рис. 13. При развитии грозового разряда в какое-либо наземное сооружение, например в опору линии электропередачи, навстречу лидеру, двигающемуся из облака к земле, развивается лидер от опоры, как показано на рис. 14. В этом случае главный разряд начинается от точки соприкосновения лидеров и распространяется как вверх, так и вниз. Из процесса развития грозового разряда видно, что место удара молнии определяется лидерной стадией. Если под тучей окажется какое-либо наземное сооружение, то развивающийся из тучи лидер будет продвигаться к земле по наикратчайшему пути, т. е. навстречу лидеру, идущему от наземного сооружения вверх. Тем самым и будет определена точка, в которую произойдет разряд молнии. Опыт показывает, что молния чаще поражает те объекты, которые хорошо заземлены и сами являются хорошими проводниками электричества. Если объекты имеют одинаковую высоту, то молния обычно ударяет в тот из них, который имеет лучшее заземление и большую проводимость. Если же объекты имеют разную высоту и грунт вокруг них имеет различное удельное сопротивление, то может быть разряд в объект с меньшей высотой, но с лучшей проводимостью грунта (рис. 15).

Рис. 14. Развитие лидера молнии (три верхних рисунка) и ее главного разряда (три нижних рисунка) при ударе молнии в металлическую опору

Это объясняется тем, что в лидерной стадии разряда токи проводимости, замыкающие токи смещения в почве, протекают преимущественно по путям с повышенной проводимостью и на ограниченных участках земной поверхности накапливается большая часть зарядов, индуктированных лидером. В результате этого на электрическое поле развивающегося лидера из облака большее влияние оказывает электрическое поле зарядов с большей плотностью, которые сосредоточиваются в местах с лучшей проводимостью. Таким образом может быть объяснена избирательность грозового разряда. Избирательно поражаются участки поверхности земли и наземные сооружения с лучшей проводимостью. Наблюдениями установлено, что на линиях электропередачи высокого напряжения молнией поражаются 25—30 % опор и только на определенных участках трассы.

Рис. 15. К явлению избирательной поражаемости молнии: а — грунт с хорошей проводимостью; б — грунт с плохой проводимостью

Рис. 16. Электрическое поле между облаком и землей: а — до разряда молнии; б — при разряде молнии

Теория избирательной поражаемости поверхности земли была проверена в Энергетическом институте АН СССР в связи с разработкой грозозащиты нефтяных озер. При этом было установлено, что поражение молнией нефтяных озер маловероятно. Редкое поражение нефтяных озер объясняется малой проводимостью нефти. На рис. 16 показано электрическое поле между облаком и землей, содержащей включения нефти до разряда молнии и при разряде молнии. При медленном изменении электрического поля облака (до разряда) проводимость нефти обеспечивает подтекание необходимого количества зарядов в связи с изменением поля облака. В момент разряда происходит быстрое изменение поля, и перераспределение зарядов не успевает произойти из-за низкой проводимости нефти. Заряды сосредоточиваются на «берегах» нефтяных озер, что приводит к усилению электрического поля между облаком и «берегами» нефтяного озера, как показано на рис. 16,6, и разряд происходит не в поверхность озера, а в его «берега». Это подтверждает теорию избирательности ударов молнии, которая утверждает, что при прочих равных условиях разряды молнии всегда поражают места с повышенной проводимостью почвы.