Как ориентируется молния и можно ли управлять этим процессом

Э. М. Базелян, д.т.н., профессор;
Энергетический институт имени Г.М. Кржижановского, г. Москва;
признанный отечественный Эксперт в области заземления и молниезащиты

Почему родилась эта статья

Статьи, как известно, пишутся для публикации в журналах, а с недавнего времени и для размещения в Интернете. Журналы и сайты бывают самой различной направленности. Одни преследуют рекламные цели и, не отвечая за содержание материала, продают место для его размещения, другие ориентируются на практическое применение напечатанного и заинтересованы, чтобы их читателями стали инженеры- проектировщики. Есть и журналы для чисто научных построений. Они публикуют результаты экспериментальных исследований, не брезгуют и теоретическими построениями, нередко гипотетического, а то и полемического характера. В новых исследованиях далеко не все и не всегда однозначно. Здесь важно отличить конструктивную гипотезу, пусть пока еще далеко не очевидную, от фантастического дилетантского построения, идущего в разрез с фундаментальными законами. Для отбора статей в таких журналах работает редколлегия из признанных специалистов мирового уровня, а каждую присланную статью рецензируют два - три специально подобранных научных сотрудника, хорошо известных своими исследованиями в рассматриваемой области.

В рецензии на мою недавнюю статью об управлении молнией один из рецензентов посоветовал не ограничиваться научной публикацией, а написать еще и работу практического направления, которая позволила бы оценивать методологические разработки в области практической молниезащиты. Недавний вебинар ZANDZ дискуссионного плана подтолкнул меня согласиться с таким предложением.

Молния как объект для управляющих воздействий

Электрическая природа молнии известна с времен Франклина и Ломоносова. Сегодня есть достоверные (хотя и ограниченные по числу) регистрации тока молнии. Он формируется при контакте молнииевого канала с землей или наземным сооружением, например, с молниеотводом. Известно из опыта эксплуатации, что величина этого тока слабо зависит от сопротивления заземления в месте контакта. Это значит, что скорость нейтрализации заряда, который стекает в землю с канала молнии, определяется не столько сопротивлением заземления, сколько достаточно большим волновым сопротивлением канала (этот параметр подобен волновому сопротивлению длинной линии, который определяется погонными значениями ее индуктивности и емкостиДля молнии волновое сопротивление лежит в пределах 500 – 1000 Ом, а ее ток I_M от разряда к разряду меняется в очень широких пределах, примерно от 3 до 200 кА. Это значит, что канал молнии доставляет к земле напряжение U ≈ ZI_M, лежащее в пределах 1,5 - 200 МВ. Для средней по силе молнии с током 30 кА напряжение близко к 15 МВ.

Стоит оценить, на что способно такое напряжение. Сегодня задача доступна не только теоретическим оценкам, но и частично прямым измерениям. Чтобы пробить метровой промежуток с резко неоднородным распределением электрического поля (между стержневым электродом и плоскостью) как минимум требуется почти 0,5 МВ. Фотография на рис.1 получена в промежутке длиной в 10 м при напряжении чуть больше 2 МВ. А следующая неоднократно публикуемая фотография (рис. 2), полученная специалистами СибНИИЭ с каналом длиной почти в 150 м, потребовала напряжения

Рис. 1

Рис. 2

около 5 МВ. Очевидна резко нелинейная зависимость электрической прочности воздуха в промежутке с резко неоднородным электрическим полем от его длины. Ее аналитическое представление показано на рис. 3 с экспериментальными точками, нанесенными на теоретическую кривую.

Рис. 3

Достаточно обоснованная прогнозная оценка показывает, что напряжение уровня 15 МВ достаточно для перекрытия воздушного промежутка километровой длины. С другой стороны, самые слабые молнии несут на порядок меньшее напряжение, которое не с состоянии пробить и 10-метрового промежутка. Разброс чрезвычайно широк.

Рис. 4

Для цели этой работы важно, что разные по силе молнии несут на своем канале различный по величине электрический заряд, который в различной степени усиливает электрическое поле у вершины сооружений на поверхности земли. Для слабых молний погонная величина заряда близка к 50 мкКл и почти не отличается от измеренного в лаборатории у длинной искры, а для наиболее сильных он превышает 1 мКл. (рис. 4).

Погонный заряд канала молнии  определяет быстрый рост электрического поля у поверхности земли. Непосредственно под каналом, стартовавшим с высоты H и опустившемся до уровня h_M, приращение поля равно

(1)

где епепеп диэлектрическая проницаемость вакуума. В практически значимых условиях, когда h_M <<H, формула упрощается

Рис. 4

демонстрируя, что приращение электрического поля атмосферы, инициирующее процесс ориентировки, пропорционально погонному заряду, который несет к земле канал нисходящей молнии и обратно пропорционально высоте его головки.

Влияние погонного заряда очень значительно. Из расчетных данных рис. 4 следует, что искомая высота h_M для слабейшей молнии примерно в 5 раз меньше, чем для средней (с током 30 кА), а для экстремально сильной различие достигает 25-кратнрого!

Молния оказывается очень непростым явлением для любых прогнозных оценок. Ее ток меняется в пределах двух порядков величины, достигая 200 кА, напряжение на головке канала относительно земли варьирует примерно в той же степени, превышая для экстремально сильных молний 100 МВ, а средний погонный заряд канала сообразно току изменяется примерно от 50 мкКл более, чем до 1 мКл. Тем самым от разряда к разряду резко меняется электрическое поле у поверхности земли, в котором формируется встречный разряд и реализуется процесс ориентировки.

Вебинар "Программное обеспечение для расчёта надёжности молниезащиты любого объекта за 30 минут." Страница 3 Вебинар "Молниезащита больших территорий: парки, площадки, территории заводов." Страница 1 Вебинар "Молниезащита больших территорий: парки, площадки, территории заводов." Страница 2 Вебинар "Молниезащита больших территорий: парки, площадки, территории заводов." Страница 3