Из цикла статей "Что там, за облаками?".
В расчётном примере рис. 2 показано распределение потенциала при заряде грозовой ячейки в 15 Кл. По всей вероятности это весьма средний заряд, хотя он обеспечил потенциал относительно земли свыше 300 МВ. По мере удаления от грозовой ячейки потенциал убывает. На высоте около 20 км, где появляются наиболее интересные для молниезащиты голубые джеты, напряжение относительно земли не превышает 2,5 МВ (весьма скромная цифра даже для лабораторных источников), а напряжённость поля оценивается всего в 5 В/см – слишком мало для формирования газоразрядных процессов в воздухе, плотность которого еще составляет почти 10% от нормальной. Не остается ничего иного, кроме того, чтобы связать причину проникновения сколько-нибудь сильного электрического поля в верхние слои атмосферы с формированием традиционной молнии.
Возможны два принципиально разных механизма. Первый из них позволяет представить канал молнии как излучающую антенну. После контакта молниевого канала с землей начинается так называемая главная стадия молнии, в процессе которой нейтрализуется её заряд. Ток главной стадии в десятки-сотни килоампер становится источником сильного электромагнитного излучения, которое может кратковременно усилить электрическое поле в дальней зоне. Для джетов, стартующих с относительно умеренной высоты, предпочтительнее второй процесс – усиление электрического поля зарядом, который транспортируется за облачный фронт каналом восходящей молнии.
Выше уже отмечалось, что кроме нисходящего канала в месте старта молнии почти одновременно зарождается и распространяется вверх восходящий лидер. Он может подняться высоко за границу грозовой ячейки. На качественном уровне такой биполярный процесс поддается численному моделированию, тем более что по существующим теоретическим представлениям скорость роста лидерных каналов мало зависит от плотности атмосферного воздуха. Оценки, представленные ниже, носят чисто качественный характер, поскольку в компьютерной модели не учитывается падение напряжения по длине канала. Они выполнены для дипольной модели однородно заряженной грозовой ячейки с зарядом 15 Кл, представленной на рис. 2.
Рис. 7
Результаты компьютерного моделирования биполярного разряда,
стартовавшего на высоте 2,4 км.
Возможны два варианта событий. В первом варианте нисходящий лидер успешно добирается до поверхности земли и приобретает её нулевой потенциал. Если при этом восходящий лидер не успел пересечь зону нулевого потенциала на высоте около 4,5 км, он уже не в состоянии подняться выше этого уровня. Результаты компьютерного расчёта воспроизводят такую ситуацию на рис. 7. Нисходящий лидер стартовал здесь с высоты 2,4 км и через 14 мс достиг поверхности земли, оставив восходящий лидер на высоте 3,6 км, ниже зоны нулевого потенциала. Понятно, что он не в состоянии заметно усилить электрическое поле на высоте в десятки километров. Иная ситуация соответствует старту молнии на высоте 3,25 км (рис. 8). Отсюда нисходящий лидер двигался к земле около 40 мс, что позволило восходящему подняться до высоты почти в 9 км, преодолев область нулевого потенциала. Теперь ничего не мешает ему двигаться дальше вверх, транспортируя свой заряд.
Рис. 8
Результаты компьютерного моделирования биполярного разряда,
стартовавшего на высоте 3,25 км
Другая картина свойственна биполярному разряду, стартовавшему в окрестности верхней положительно заряженной ячейки. Теперь область нулевого потенциала не может преодолеть нисходящий лидер. Опустившись до неё, он фактически перестает двигаться. Это никак не мешает росту восходящего лидера (рис. 9). В течение 100 мс в рассмотренном примере его головка поднялась почти до 20 км. Это как раз та высота, что считается местом старта голубых джетов.
Рис. 9
Результаты компьютерного моделирования биполярного разряда,
стартовавшего на высоте 6 км
Как можно видеть, скорость восходящего лидера в произведенном расчёте очень слабо снижается во времени. Такое закономерно, поскольку в расчётной модели не учитывается падение напряжения в каналах лидеров. Если продолжить счёт до 500 мс, головка восходящего лидера достигла бы высоты 50 км, сравнявшись по длине с голубым джетом средней руки. Характерно, что в рассматриваемых условиях наблюдатель не заметит ни удара молнии в землю, ни межоблачного разряда, потому что канал застрявшего в облаках нисходящего лидера со слабым током вряд ли проявится при съёмке.
Воспринимая сказанное, хочется предположить, что джет – это не что иное, как восходящая молния, вырвавшаяся на оперативный простор в верхние слои атмосферы. Не надо забывать, что заряд грозовой ячейки в 15 Кл – далеко не предел. Вполне возможны и куда более сильно заряженные облака. А что касается пониженного давления в верхних слоях атмосферы, то оно приведет к снижению электрического поля в канале лидера, к увеличению его радиуса и к очень существенному росту длины стримерной зоны перед головкой канала. Всё это как раз и наблюдается при оптических регистрациях джетов.
Э. М. Базелян, д.т.н., профессор
Энергетический институт имени Г.М. Кржижановского, г. Москва
Читать далее "5. Опасны ли джеты и спрайты для современной техники?"
Смотрите также:
Вебинар "Будущее отечественной молниезащиты (оптимистический вариант)." Страница 3
Молниезащита в Грузии: трудности перевода
Молниезащита в Кыргызстане: покоряйте вершины только с проводником!
УЗИП и его плавкая вставка
Молниезащита объектов в районах вечной мерзлоты
Молниезащита и заземление для базовых станций стандарта 5G
Анализ нормативного документа ФЕДЕРАЛЬНЫЕ НОРМЫ И ПРАВИЛА В ОБЛАСТИ ПРОМЫШЛЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ "ПРАВИЛА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЗРЫВНЫХ РАБОТАХ"