Что Земля круглая, в XXI веке знают все, даже на Центральном телевидении. А вот что поверхность земли не везде ровная, многие похоже не догадываются. Во всяком случае среди таких людей составители нормативов по молниезащите. В этих документах ни гор, ни ущелий не предусмотрено. Плоская поверхность и точка. Когда в позапрошлом веке в моем подмосковном городке начали строить церковь, для нее выбрали самую высокую точку – гору Церковка на берегу озера. Знали, что делали, - ближе к небу, ближе к Богу. Правда, к грозовым облакам тоже ближе. Наверняка, эта близость что-нибудь значит, но в нормативах по молниезащите о том ни единого слова. Поверхность земли везде только плоская. Есть над чем задуматься, а если нужно, то и количественно оценить влияние рельефа местности на молниезащиту. Дело того стоит, потому что молниезащита — это совсем не бесплатное мероприятие.
1. Эффект ущелий
Начинать надо с того, что проще и очевиднее. В этом нет сомнений. Ущелье прячет сооружение от молнии. Если оно глубокое, прячет очень надежно. Молнии трудно проникнуть в глубокую узкую расщелину. Но для меня такое начало важно и еще в одном особом и чисто личном значении. Наш соотечественник В. А. Мезгин много лет изучал грозовую деятельность в ущельях Киргизии. Он убедительно доказал, что в определенных условиях тросовые молниеотводы воздушных линий электропередачи приносят там только вред и убедил высокое электроэнергетическое начальство отказаться от них. Его преданность делу восхищала. Пусть эти строки станут доброй памятью хорошему человеку и отличному специалисту.
Рис. 1
Эффект ширины ущелья
Чем глубже и уже ущелье, тем качественнее естественная защита от молнии находящегося там сооружения. Развитая в России статистическая методика позволяет определить эффект количественно. На рис. 1 компьютерным расчетом оценено влияние ширины ущелья, которое полностью (с превышением в 10 м) скрывает защищаемый объект высотой 30 м и длиной 100 м; ущелье продолжается еще на 100 м в каждую сторону от объекта.
Рис. 2
Эффект превышения ущелья над защищаемым объектом
Полученные результаты не должны удивлять. Края ущелья фактически выполняют функцию естественного двойного тросового молниеотвода, который установлен с расстоянием между грозотросами d и характеризуется превышением над защищаемым объектом на величину Δh = H – h (рис. 3). Количественно предложенная схема замещения поддается компьютерному расчету, например, при помощи расчетной программы, свободно предоставляемой на сайте ZANDZ
Рис. 3
К оценке эффективности защитного действия стен ущелья.
Задача представляется заметно сложнее, когда защищаемое сооружение частично подымается над ущельем, как это показано на рис. 4. На точный расчет здесь рассчитывать не приходится. Для не слишком точной оценки ущелье можно заменить
Рис. 4
Частичный учет влияния ущелья
плоской поверхностью земли, на которой расположен защищаемый объект пониженной высоты Δh = h –H. Оценка вроде бы и элементарная, но вполне пригодная для практики. К большой ошибке она привести не может.
2. Влияние пониженной плотности воздуха.
В бытность СССР этим вопросом охотно и активно занимались наши азербайджанские коллеги. Очень хотелось увидеть в их наблюдениях особую специфику горных районов. Два аспекта наиболее привлекали внимание, - пониженная плотность воздуха и близость наземных сооружений к грозовым облакам. Из самых общих соображений есть основания предполагать, что молнии в горных районах могут быть слабее, чем на равнине.
По указанной причине у специалистов по молниезащите нет привилегий в отношении горных районов. Пока приходится использовать единую статистику токов, собранную СИГРЭ. Для другого попросту нет весомых оснований.
Особой проблемой является влияние плотности воздуха на процесс ориентировки молнии. Как известно, ориентировка осуществляется в результате формирования встречных разрядов от молниеотвода и защищаемого им сооружения. Разряд стартует в виде так называемой ультра- короны. Для условий ее старта и развития принципиальна важна высота местности над уровнем моря. Как правило, для промышленных и гражданских сооружений она не превышает 3000 м, где относи тельная плотность воздуха близка к 0,8. Расчетные данные на рис. 5 демонстрируют
Рис. 5
Динамика роста во времени коронного тока при нормальной и пониженной плотности воздуха
динамику роста тока коронного разряда от сооружения высотой 50 м при нормальной и пониженной плотности воздуха в типичном грозовом электрическом поле. Увеличение тока в пределах 10% на высоте мало значимо пря практических приложений. Тем более, что условия распространения встречного лидера, завершающего процесс ориентировки, от плотности воздухе зависят в еще меньшей степени.
В итоге и высота ориентировки нисходящей молнии, и эквивалентный радиус стягивания молний на высоте до 3000 м меняются незначительно и эти изменения не заслуживают внимания в проектных расчетах по молниезащите.
3. О высотных сооружениях
Рельеф рельефом, но и сами наземные сооружения тоже чего-то стоят. Приблизиться к грозовому облаку можно и на ровной поверхности земли. В наши годы небоскребы строят не только в Америке. Их высота приближается к километру - треть расстояния до нижней заряженной ячейки грозового облака. Бесследно такие постройки не проходят. Вспомните хотя бы вавилонскую библейскую башню, что до самого неба. До сих пор мучаемся с кучей разных языков и наречий.
Сегодняшние читатели не любят длинных текстов, настаивая на том, что краткость – сестра таланта. Тем не менее, далеко не любая информация укладывается в классическое ”пришел, увидел, победил”. Очень советую потерпеть, иначе будет сложно ориентироваться в современной молниезащите.
Что же все-таки меняется с высотой сооружения?
В первую очередь электрическое поле. В грозовой обстановке у поверхности земли это поле E0 вряд ли больше 20 кВ/м. Для ионизации воздуха требуется по крайней мере на 2 порядка больше, примерно 3000 кВ/м. Оно и создается электрическим зарядом, который наведен электростатической индукцией на возвышающемся сооружении. Для сооружения типа башни или вертикального стержня высотой, h и радиусом r0 электрическое поле у вершины с хорошей точностью равно
Для башни высотой 200 м и радиусом 1 м оно вырастет ровно в 100 раз. Прошу обратить внимание, что определяющей в расчете является не высота, а ее отношение к радиусу. На стерженьке высотой в 2 м и радиусом 0,01 м поле атмосферы вырастет в те же 100 раз. Вот почему любая тонкая ветка дерева или куста и даже острая травинка в грозовой обстановке становится источником встречных ионизационных процессов. Они внедряют в атмосферу электрический заряд, обратный по полярности заряду нижней ячейки грозового облака. Заряд накрывает поверхность земли, снижая там грозовое электрическое поле. Очень важно понимать, как это делается.
По мере удаления от вершины сооружения электрическое поле снижается. Мерилом этого снижения служит радиус вершины сооружения. Это хорошо известно даже из курса школьной физики, где изучают закон Кулона. Фактически ионизация поддерживается только у самой вершины электрода в зоне максимально сильного поля. Ширина этой зоны ничтожна в масштабе километровых длин молниевых разрядов. Осуществляющийся там процесс и называют коронным разрядом, чаще ультра-короной, иногда бесстримерной короной (дальше будет понятно, откуда взялся последний термин).
Нет смысла анализировать здесь все особенности трансформации слабой короны в энергоемкий канал встречного лидера, но одну деталь нужно отметить обязательно.
Рис 6
Статическая фотография стримерной вспышки
Речь идет о критическом токе ультра-короны, при котором ее зона ионизации уже не в состоянии удерживаться у вершины электрода. Отрываясь от него, она в виде своеобразной волны ионизации распространяется в глубину атмосферы. Внешне это очень похоже на поток, что, прорвав плотину, растекается по земле ветвящимися ручейками. Отсюда и название – стример, от английского stream – поток, ручей (рис. 6). Разогреваясь до температуры около 6000 К, одна из стримерных ветвей становится высоко проводящим каналом встречного лидера, который уже может реально вмешаться в процесс распространения молнии.
Неожиданным оказался расчет критического тока короны. Его величина оказалась очень значительной, на уровне 10-2 А. В поле грозового облака такой ток короны на равнине не достижим даже для самых высотных объектов, например, для той же Останкинской телебашни. Помощь приходит со стороны соседних нисходящих молний. Электрический заряд их каналов, быстро приближающийся к земле, позволяет превысить критический коронный ток и перевести разряд в более мощную стримерную форму. На рис. 7 схематически показаны три различные варианта развития событий.
Рис. 7
Возбуждение встречного канала от заземленного электрода в электрическом поле нисходящей молнии
В первом возможном варианте стартовавший встречный канал полностью управляется электрическим полем нисходящей молнии и движется ей на встречу. Контакт каналов приводит к удару нисходящей молнии в наземное сооружение. Ситуация типична для сооружений относительно малой высоты.
Второй вариант можно посчитать ”неудачным”. Стартовавший встречный канал прекратил свой рост, как только нисходящая молния ударила в землю и ее электрическое поле исчезло. Поражения объекта молнией не произошло.
Наконец, в третьем варианте, встречный канал успел прорасти настолько далеко, что перестал нуждаться в поле нисходящей молнии. После ее удара в землю он продолжил свой рост в оставшемся поле грозового облака. Управляясь только этим полем, встречный канал естественно продвигался в направлении грозовой ячейки облака, превратившись тем самым в канал восходящей молнии. Именно эта ситуация характерна для высотных сооружений, высота которых превышает 200 м на равнинной местности.
Рис. 8
Восходящая молния от вершины Останкинской телебашни
Встречные молнии – вот что отличается высотные сооружения от ординарных по высоте. Они всегда стартуют непосредственно от вершины с максимально сильным электрическим полем, не смещаясь сколько-нибудь заметно на боковую поверхность (рис. 8). Число восходящих молний нарастает с высотой сооружения. Например, для Останкинской телебашни в среднем за год оно приближается к 27 – 30. А вот число нисходящих молний от высоты высотного сооружения практически не зависит и на равнинной территории России близко всего к 2 разрядам за год. Эти молнии уже никак не привязаны к вершине и могут ударить далеко от нее в боковую поверхность (рис. 9)
Рис. 9
Нисходящая молния промахнулась на 202 м
Именно от них при необходимости приходится защищать боковую поверхность высоток.
Нужно сразу отметить, что механические и термические воздействия молний любого типа не представляют опасности для конструкции высотных сооружений. Они в состоянии повредить лишь небольшие антенные системы или датчики, но никак не нарушить механическую прочность конструкции. Иное дело электромагнитные наводки. Здесь восходящие молнии могут быть не менее опасны, чем нисходящие.
4. Высотные сооружения в горных районах
По собственному опыту знаю, как близко до грозовых облаков в горах. Пишу эти строки и вспоминаю дыбом встающие волосы и малоприятные искры при сближении с любой металлической поверхностью. Электростатические наводки в горах запоминаются надолго. На развитие встречного разряда они влияют очень даже заметно. В этом убеждают результаты компьютерного расчета тока короны, представленные на рис. 10. В расчете принято, что заряд грозовой ячейки обеспечивает у поверхности земли
Рис. 10
Динамика роста тока встречного коронного разряда от стержневого электрода высотой 50 м на вершине полусферической возвышенности радиусом 2 км. Грозовая ячейка с зарядом -13,3 кЛ на высоте 3 км
типичное электрическое поле 20 кВ/м. Благодаря существенному сближению с грозовым облаком поле на вершине возвышенности поднято до 270 кВ/м, а на вершине стержневого электрода оно усилено еще больше.
Рис. 11
Схема горного массива на рис. 11 подтверждает сказанное. Гора Сантис высотой 2500 м над уровнем моря использована в качестве полевой лаборатории для осциллографических регистраций тока молнии. В качестве молниеприемника на вершине горы смонтирован стержень высотой 124 м. Средняя частота грозовых разрядов в стержень достигает здесь 100 за грозовой сезон! Ничего подобного не может быть на равнине.
Рис. 12
Рельеф возмущен только с одной стороны от объекта
Хотелось бы закончить эту статью на оптимистической ноте. Только на то пока еще нет достаточных оснований. И дело вовсе не в числе рассмотренных вариантов рельефа. Опираясь на представленный здесь опыт упрощения конкретных ситуаций, читатель и сам сможет справиться с любым новым вариантом, например, рассмотреть одностороннее возмущение рельефа, подобное тому, что показано на рис. 12. Здесь объект прикрыт холмом, что работает как одиночный естественный молниеотвод. Особо надежной такую защиту не назовешь, но эффект безусловно заметен. Его можно оценить количественно, заменив холм стержневым молниеотводом высотой H на расстоянии от объекта d. Ну а более опытный проектировщик заменит холм треугольной пирамидой и введет ее в бесплатную расчетную программу ZANDZ в качестве естественного молниеотвода.
Не в проектантах дело, а в исследователях. Пока они так и не смогли набрать достоверную статистику токов молнии в горных районах, исследовать там особенности защитного действия молниеотводов и найти методику взаимодействия с полем грозового облака возвышенностей самой произвольной формы. Работы впереди много и простой ее не назовешь.