7. Молния как источник грозовых перенапряжений, защита от прямых ударов молнии, молниеотводы

7.1. Физика разряда молнии

Молния - разновидность газового разряда при очень большой длине искры. Общая длина канала молнии достигает нескольких километров, причем значительная часть этого канала находится внутри грозового облака.

Для возникновения грозы необходимы, во-первых сильные восходящие потоки воздуха и , во-вторых, требуемая влажность воздуха в пределах грозовой зоны (эти закономерности были установлены еще М.В.Ломоносовым).

Восходящие потоки воздуха возникают вследствие нагрева прилегающих к поверхности земли слоев воздуха и термически обусловленного теплообмена этих слоев с охлажденным воздухом на большой высоте.

В облаке образуется несколько изолированных друг от друга скоплений зарядов (в нижней части облака скапливаются преимущественно заряды отрицательной полярности), молния бывает обычно многократной, т.е. состоит из нескольких единичных разрядов, развивающихся по одному и тому же пути.

Точный механизм разделения зарядов в грозовом облаке все еще остается во многом неясным. Однако наблюдения показывают, что разделение зарядов совпадает с замерзанием капель воды в облаке.

Общая характеристика молний

Молния представляет собой явление электрического разряда в атмосфере. Генератором молний являются грозовые (кучево-дождевые) облака, в которых происходит разделение положительных и отрицательных электрических зарядов. Молнии могут также возникать в снежных и песчаных бурях, при извержении вулканов, ядерных взрывах.

Молнии происходят между грозовым облаком и землей, между облаками или различными областями одного и того же облака. Наблюдателю они представляются в виде ярко светящихся зигзагообразных линий с многочисленными разветвлениями. Этот тип молний называется линейной молнией. Линейные молнии возникают часто, наиболее изучены, сопровождаются электромагнитными, тепловыми, газодинамическими, электродинамическими, звуковыми и световыми воздействиями на находящиеся в зоне их влияния объекты.

Значительно реже наблюдается шаровая молния. В большинстве случаев она появляется одновременно с линейной молнией недалеко от места удара последней и выглядит как огненный шар. Имеются также сведения, что возникновение шаровой молнии наблюдалось при мощных коротких замыканиях в электроустановках.

Шаровая молния имеет диаметр, в основном, 10–20 см. Цвет может быть красный, оранжевый, желтый или белый. Свечение не очень яркое, но шаровую молнию можно четко различать при дневном свете. Шаровые молнии обычно перемещаются горизонтально со скоростью нескольких метров в секунду, а также в течение некоторого времени могут оставаться неподвижными или даже передвигаться по вертикали. Иногда шаровые молнии издают шипение. Отмечается сопровождающий шаровую молнию характерный запах, напоминающий горящую серу или озон.

Время жизни шаровых молний составляет обычно несколько секунд, но может иногда быть и больше минуты. Исчезновение шаровых молний происходит быстро и сопровождается сильным треском. Только в редких случаях она исчезает бесшумно. В месте взрыва шаровой молнии происходят обрывы проводов, оплавления поверхностей, возникают отверстия и т.п. Удовлетворительного объяснения шаровой молнии и причин ее возникновения пока не найдено.

Чрезвычайно редким явлением можно считать так называемую чёточную молнию. Внешне она выглядит светящейся пунктирной линией: канал разряда между облаками и землей распадается на светящиеся элементы («четки») длиной до нескольких десятков метров, которые разделяются темными участками. «Четки» существуют значительно продолжительнее, чем канал линейной молнии. Появление чёточной молнии иногда связывается со зрительными эффектами (инструментальные наблюдения отсутствуют), в частности, продолжительное существование четок объясняется инерцией зрения, а не свойством канала разряда. В других случаях для объяснения четок привлекается пинч-эффект или термодинамические свойства канала молнии с радиусом, модулированным по высоте канала.

Линейные молнии изредка наблюдаются при отсутствии грозовых облаков и даже при совершенно ясном небе. Обычно в этих условиях отмечаются поражения молнией летательных аппаратов, например, американской системы «Аполлон-11» во время старта на высотах примерно 2 и 4 км, привязного аэростата на высоте около 1 км и др. Следует также иметь в виду возможность грозовых разрядов из облака в направлении верхних слоев атмосферы.

Э

Рис. 7.1. Схема равновесного атмосферного электрического поля Земли

лектрический заряд земли отрицательный и составляет 5,410⁵ Кл (рис. 7.1). Напряженность электрического поля между землей и положительно заряженной ионосферой, расположенной на высоте ориентировочно 80 км, так называемое «поле ясной погоды», находится в пределах E = 100–200 В/м. Средняя плотность тока на землю в ясную погоду равна j = 2,6^.10^-12 А/м². Это дает общий ток на поверх-ность земли I  1300 A. Таким образом, гигантский конденсатор земля–ионосфера должен был бы разряжаться, однако этого не происходит.

По данным спутниковых наблюдений на земле одновременно существует примерно 3000 грозовых очагов и каждую секунду поверхность ее поражается 100 ударами молнии. Исследования, проведенные в разных частях земного шара, показывают, что 80–90 % молний переносят на землю отрицательный заряд. Если принять, что за один разряд на землю переносится в среднем 20 Кл, и учесть, что 15 % молний переносят положительный заряд, который должен быть скомпенсирован, то получится средний ток, создаваемый молниями, 1400 А. Как видим, роль грозовой деятельности в поддержании отрицательного заряда земли, по-видимому, достаточно велика.

Поскольку наземные объекты поражаются в подавляющем большинстве линейными молниями между облаками и землей, в последующем основное внимание будет уделяться именно им.