Механизм выбора точки удара каналом молнии

1. Механизм выбора точки удара каналом молнии

Из цикла статей "Молниезащита высотных сооружений".

Всё начинается с короны. Эта форма электрического разряда хорошо известна не только специалистам. Любители пиратских романов не раз читали о мерцающем свечении на верхушках мачт парусных кораблей в грозовой обстановке. Явление было названо огнями святого Эльма. Это и есть коронный разряд в электрическом поле грозового облака. По своим внешним проявлениям он мало чем отличается от короны на фазных проводах воздушных линиях электропередачи. Слабое свечение короны в городских условиях трудно различить даже ночью, но её характерное потрескивание в плохую погоду (дождь, туман, мокрый снег) хорошо слышно и вызывает вполне чувствительные помехи в средневолновом радиодиапазоне.

В грозовой обстановке корона возникает не только от многоэтажных зданий и многометровых антенных башен. Коронировать могут ветки деревьев или кустарников и даже острые перья травы. Ток такой короны очень слаб. На рис. 1 показана динамика изменения коронного тока от стержневых электродов различной высоты. Самому высокому приписана высота Останкинской телебашни (540 м). Аналитически показано, что величина тока чувствительна к скорости роста электрического поля атмосферы Е₀, поэтому для оценок сверху в компьютерный расчёт введена достаточно высокая скорость восстановления Е₀ в межмолниевую паузу – напряжённость у земли вырастала по линейному закону до 20 кВ/м за 10 с и далее не менялась. В разобранном примере даже при максимально большой высоте объекта ток короны оказался слабым.

Рисунок 1. Динамика изменения тока короны от электродов различной высоты. Электрическое поле грозового облака линейно нарастает до 20 кВ/м за 10 с и далее не меняется

Его величина не превысила нескольких миллиампер. Тем не менее, у вершины заземленного сооружения накапливался объемный заряд, который выравнивает электрическое поле в приэлектродной области. Результат выравнивания можно видеть из расчётных данных рис. 2.

Рисунок 2. Распределение электрического поля над вершиной объекта высотой 100 м

При столь слабом энерговкладе электрический разряд от вершины электрода не сопровождается ростом плазменного канала, а существует лишь в виде зоны ионизации очень ограниченного размера, протяженность которой сопоставима с радиусом коронирующей вершины. Причина в том, что формирование протяжённого канала требует высокой проводимости плазмы в его объёме при характерных временах развития молнии, исчисляемых миллисекундами. Проводимость плазмы определяется электронами. Их время жизни в холодном воздухе по порядку величины лежит в пределах 10-7 с. Чтобы продлить существование электронов до миллисекундного диапазона, необходимо разогреть воздух до 5000-6000 К. Такое возможно, если коронный разряд перейдёт в стримерную форму, которую отличает образование пучка протяжённых плазменных ветвей, стартующих от единого стебля (рис. 3).

Рисунок 3. Статическая фотография стримерной вспышки

Энерговклад в стримерные ветви тоже невелик и они остаются почти столь же холодными, как и окружающий воздух, но в стебле суммарный ток многих ветвей может быть достаточным для требуемого разогрева. Это происходит, когда длина стримерных ветвей приближается к 1 м, а падение напряжения на них – примерно к 400 кВ. Именно в таком горячем стебле и рождается встречный лидер.

Таким образом, переход короны в стримерную форму является исключительно важным моментом формирования встречного разряда, в конечном итоге “притягивающего” молнию. Теоретически оценен и экспериментально подтвержден критерий перехода. Он осуществляется, когда ток короны превысит некоторое критическое значение

Если вершина объекта имеет радиус r₀ ≈ 2 см и для возбуждения короны на её поверхности напряжённость электрического поля должна подняться до величины E(r₀) = E_cor = 4×10⁴ В/см, то при типичной подвижности коронных ионов μ ≈ 1,5 см²(В·с)^-1 критический ток короны оценивается значением ~ 10 мА. Даже на вершине Останкинской башни корона слабее. Для объектов же ординарной высоты в электрическом поле грозового облака ток короны отличается от критического в десятки и сотни раз. Тем не менее, встречные лидеры многократно наблюдались в грозовых условиях от сооружений самой различной высоты. Установлено, что их рождение обусловлено усилением электрического поля в атмосфере электрическим зарядом, который транспортируется к земле каналом формирующейся молнии. Здесь важна не только (и не столько!) величина переносимого заряда, сколько та высокая скорость, с которой усиливается поле.

Рисунок 4. Динамика роста коронного тока от вершины стержневого молниеотвода во время развития нисходящей молнии (отсчет времени от момента старта молнии)

Расчётные данные на рис. 4 демонстрируют рост коронного тока от стержневых молниеотводов высотой h = 30 и 100 м после старта молнии на высоте 3000 м, канал которой приближается к земле со средней скоростью 2×10⁵ м/с по вертикальной траектории с радиальным смещением r_M = 3h; погонный заряд канала равен 0,5 мКл/м (средняя по силе молния). Можно видеть, что ток короны превышает критическое значение ~ 10 мА, когда канал молнии опустился до высоты 600 м относительно уровня земли при молниеотводе высотой h = 100 м и до высоты 200 м при h = 30 м, обеспечивая тем самым перевод короны в стримерную форму приблизительно через 12 и 14 мс для молниеотводов в 100 и 30 м соответственно. С указанных моментов времени правомочно говорить о возможности развития встречного лидера, перехватывающего молнию.

Результат процесса перехвата (лучше сказать – процесса ориентировки нисходящей молнии) неоднозначен. Каналы молнии и встречного лидера могут воссоединиться, предопределив удар молниеотвод, а могут и “промахнуться”. Тогда молния ударит в землю или в какой-то другой соседний наземный объект. В такой ситуации важно проследить судьбу родившегося встречного лидера, установив возможность его дальнейшего развития к грозовому облаку уже после удара в землю той самой молнии, что возбудила его своим электрическим полем. На рис. 5 и 6 воспроизведены результаты компьютерного моделирования двух принципиально различных ситуаций.

Рисунок 5. Результаты компьютерного расчета параметров встречного лидера, стартовавшего от стержневого молниеотвода высотой 30 м

На первой из них возбуждённый встречный лидер двигался от вершины объекта высотой 30 м со скоростью 2-3 см/мкс при собственном токе 0,5 – 3 А и достиг длины около 24 м к тому моменту, когда “промахнувшаяся” молния ударила в землю. При этом заряд молнии нейтрализовался, ее электрическое поле перестало существовать, что привело к практически мгновенному торможению встречного лидера (его ток и скорость упали до нуля).

Рисунок 6. Результаты компьютерного расчета параметров встречного лидера, стартовавшего от объекта высотой 200 м.

Последовательность событий на рис. 6 для объекта высотой 200 м принципиально иная. Здесь встречный лидер возник раньше и, двигаясь с примерно такой же скоростью, что и в первом варианте, к моменту удара нисходящей молнии в землю сумел продвинуться вверх примерно на 80 м. Исчезновение электрического поля разрядившейся молнии и здесь затормозило встречный лидер. Однако, развитие разряда не прекратилось полностью, - он продолжил движение к грозовому облаку, хотя и с замедлившейся скоростью. Так родилась восходящая молния.

Э. М. Базелян, д.т.н., профессор
Энергетический институт имени Г.М. Кржижановского, г. Москва

Читайте далее "2. Число ударов молнии в высотные сооружения".

Полезные материалы:

Смотрите также: