Возможности провоцирования гипотетических точек удара молнии

Заранее определить места, куда ударяет молния, совсем не просто, но возможно. Сначала необходимо разобраться с короной. С этой разновидностью электрических разрядов знакомы многие из нас. Странное мерцающее свечение поверхности, наблюдавшееся перед грозой, интересовало людей ещё с давних времен. Грозовая обстановка способствовала накапливанию заряда на различных предметах из нашего окружения. Свечение, сопровождающееся слабым потрескиванием, могло возникнуть во время дождя, тумана или мокрого снега. Явлению дали название огней святого Эльма.

Особенно заметно оно в сумерках на море. Мерцающие верхушки корабельных мачт видел практически каждый прибрежный житель. Также могут светиться высоковольтные линии электропередач, городские здания, башни и вышки с антеннами, деревья, кустарник и даже трава. Каждый коронарный разряд характеризуется своим током заряда, зависящим от высоты, однако его величина очень мала и разница практически неощутима. Часто даже увидеть корону невооружённым взглядом не удаётся, но её хорошо слышно, так как явление вызывает вполне ощутимые помехи в средневолновом радиодиапазоне.

Рисунок 1. Зависимость коронарного заряда от высоты электродов. Рост напряжённости грозового облака до 20 кВ/м за 10 с^*

Самое высокое значение тока короны было зафиксировано на пике Останкинского телеретранслятора в 540 метрах от поверхности. Поэтому молниезащита высотных сооружений особенно важна и необходима. Существует линейная зависимость величины тока от изменений атмосферного поля напряжённости (Е₀), способного к очень быстрому восстановлению в межразрядный молниевый период. Скорость процесса может достигать 20 кВ/м за 10 с.

Особенности существования короны

Значение тока коронных разрядов само по себе очень мало и равняется лишь нескольким миллиамперам, но предварительное заземление любого сооружения способствует накоплению объёмного заряда рядом с его вершиной. Заряд помогает выравнять значения электрического поля в районе расположения исследуемого электрода. Напряжённость поля коронирующего объекта существенно превышает показатели аналогичных объектов без короны.

Рисунок 2. Выравнивание объемного заряда над объектом высотой 100 м^*

Энерговклад в состав электрического разряда на вершине электрода в любом случае оказывается незначительным, поэтому плазменный канал в данном случае не образуется, а возникает только ограниченная ионизированная зона, сопоставимая с размерами коронирующей области. Чтобы сформировать стабильный протяжённый канал в таких условиях, плазма должна иметь очень высокую проводимость, а её при развитии молнии поддерживают активные электроны.

Для холодного воздуха продолжительность существования этих частиц не превышает нескольких миллисекунд (обычно до 10 ^-7). Продлить их жизненный цикл позволяет лишь существенный разогрев воздуха до отметки в 5500-6000 K. Это происходит при переходе коронного разряда в стримерный, в котором пучок протяжённых веток плазмы формируется на едином стебле, берущем начало от электрода.

Рисунок 3. Коронарный разряд в стримерной форме^*

Механизм возникновения атмосферного канала пробоя

Энерговклад в отдельных стримерных ветвях также очень мал и недостаточен для нужного разогрева. Их температура остается близка к температуре окружающей среды. Но общий ток стебля при большом количестве веток способен достичь значений, приводящих к дальнейшему разогреву и образованию встречного канала. Стримерные ветви для этого должны приблизиться к метровой отметке по своей протяженности, а напряжение в них – упасть до 400 кВ. Только такой стебель способен сформировать встречный разряд, получивший название «встречного лидера». Из этого следует, что возникновение стримерной формы коронного разряда может служить своеобразным магнитом для притяжения молнии из грозового облака. А зная, как сформировать стримерный пучок в требуемой точке пространства и как молния выбирает куда ударить, появляется вероятность частично контролировать разряды атмосферного электричества. Возможность создания подобных переходных состояний доказана в теории и подтверждена на практике. Переходы происходят при превышении током короны некоторых критических значений:

Например, при радиусе вершины объекта r₀ = 20 мм, возбудить её корону до переходного состояния удастся лишь созданием напряженности Е_cor = 4x104 B/см. А, учитывая типичную подвижность ионов в короне (μ ≈ 1,5 см²(B·c)^-1), критическое значение её тока должно быть близко к 10 mA. Ни один реальный объект (включая Останкинскую башню) не сможет с требуемой вероятностью создать подобных условий, а необходимые значения будут отличаться от полученных в 100 и более раз. Но существуют неоднократные подтверждения формирования во время грозы встречных лидеров даже на средних и малых по высоте объектах.

Рисунок 4. Увеличение электрического заряда коронны на молниеотводах высотой 30 и 100 метров^*

Проектирование молниезащиты должно осуществляться с учётом возможности быстрого и существенного роста напряжённости в отдельно рассматриваемой области при помощи электрического заряда, транспортируемого к поверхности каналом, формирующим молнию. Необходимому нагреву для появления встречного лидера тут способствует не сам переносимый заряд, а значение скорости усиления существующего поля. Образовать такой канал пробоя может даже трава либо живое существо. Смоделированная ситуация наглядно показывает, как растёт коронный ток на верхушках стержней предварительно заземленных молниеотводов, расположенных на высоте 100 и 30 метров при начале движения к земле атмосферного разряда, сформированного на расстоянии 3 км от поверхности. Эта усреднённая молния имеет скорость перемещения по вертикали 2x105 м/c, радиальное смещение 3h и мощность погонного заряда канала 0,5 мКл/м.

Коронарный ток верхнего молниеотвода достигает критического значения в 10 mA при нахождении канала молнии на высоте 600 метров от поверхности (12 мс от начала разряда). Переходное состояние к стримерной форме на нижнем молниеотводе наступает при опускании молниевого канала до 200 метровой отметки (14 мс от начала разряда). В этих условиях развивающийся встречный лидер способен к перехвату молнии.

Рисунок 5. Прогноз поведения встречного лидера с высоты 30 метров с помощью компьютерного моделирования^*

Варианты развития событий

Проводя расчёт молниезащиты необходимо знать, что процесс притяжения атмосферного разряда может протекать неоднозначно. В зависимости от параметров канала молнии и характеристик стримерного разряда возможно, как её воссоединение со встречным лидером, так и непредвиденный «промах». В этом случае разряд может ударить во что-то поблизости и место его попадания непредсказуемо. Дальнейшая ситуация с родившимся встречным лидером также имеет два пути завершения:

После «промаха» молнии движение возбужденного встречного лидера продолжится ещё несколько десятков метров вверх с постепенным угасанием в атмосфере. Нейтрализация заряда молнии приведёт к исчезновению электрического поля, а также падению тока и скорости движения лидера. Вероятность такого исхода характерна больше для средних и низких объектов.
Встречный лидер на момент исчезновения поля, поддерживаемого молниевым разрядом, успевает продвинуться вверх до 100 и более метров. После удара молнии он также существенно замедляется, но продолжает и дальше двигаться в направлении грозового облака. Наступает рождение восходящей молнии. Явление чаще встречается на высоких и средних объектах.