Контрольная работа: Грозы, удары молний, градобитие

9. Если вы плаваете на лодке – как можно скорее причальте к берегу. Если это невозможно, укройтесь под высокой постройкой (мостом или пристанью). Мачты и оттяжки яхты должны быть надёжно заземлены на воду.

10. Если вы находитесь в помещении, то следует держаться

подальше от окон, электроприборов, а также труб и другой металлической сантехники.

11. Не звоните по телефону. Если нужно вызвать службы

экстренной помощи – говорите ёмко и как можно короче.

12. Перед грозой отключите внешние антенны и выключите из

розетки радиоприёмники и телевизоры. Отсоедините модемы и источник питания.

1.2 Молнии

1.2.1 Определение

Молния – гигантский электрический искровой разряд в атмосфере, проявляющийся обычно яркой вспышкой света и сопровождающим её громом.

1.2.2 Механизм развития

Грозовые разряды (молнии) – это наиболее распространенный источник мощных электромагнитных полей естественного происхождения. Молния представляет собой разновидность газового разряда при очень большой длине искры. Общая длина канала молнии достигает нескольких километров, причем значительная часть этого канала находится внутри грозового облака. Причиной возникновения молний является образование большого объемного электрического заряда.

Обычным источником молний являются грозовые кучево-дождевые облака, несущие в себе скопление положительных и отрицательных электрических зарядов в верхней и нижней частях облака и образующие вокруг этого облака электрические поля возрастающей напряженности. Образование таких объемных зарядов различной полярности в облаке (поляризация облака) связано с конденсацией вследствие охлаждения водяных паров восходящих потоков теплого воздуха на положительных и отрицательных ионах (центрах конденсации) и разделением заряженных капелек влаги в облаке под действием интенсивных восходящих тепловых воздушных потоков.

Грозовые разряды по внешним признакам могут быть разделены на несколько типов. Обычный тип – линейная молния, с разновидностями: ленточная, ракетообразная, зигзагообразная и разветвленная. Наиболее редкий тип разрядов – шаровая молния. Известны разряды, носящие названия «Огни святого Эльма» и «Свечение Анд».

Молния обычно бывает многократной, т.е. состоит из нескольких единичных разрядов, развивающихся по одному и тому же пути, причем каждый разряд, так же как и разряд, получаемый в лабораторных условиях, начинается лидерным и завершается обратным (главным) разрядом. Скорость опускания лидера первого единичного разряда примерно равна 1500 км/с, скорости лидеров последующих разрядов достигают 2000 км/с, а скорость обратного разряда изменяется в пределах 15000 -150000 км/с, т.е. от 0,05 до 0,5 скорости света. Канал лидера, как и канал всякого стримера, заполнен плазмой, следовательно, обладает определенной проводимостью. Верхним концом лидерный канал соединен с одним из заряженных центров в облаке, поэтому часть зарядов этого центра стекает в канал лидера. Распределение заряда в канале должно быть неравномерным, возрастая к его концу. Однако некоторые косвенные измерения позволяют предположить, что абсолютная величина заряда на головке лидера невелика и в первом приближении канал можно считать равномерно заряженным с линейной плотностью зарядов σ.

Общий заряд в канале лидера в этом случае равен Q = σ l, где l – длина канала, причем обычно значение его составляет около 10% значения заряда, стекающего в землю во время единичного разряда молнии. В 70–80% всех случаев этот заряд имеет отрицательную полярность.

Рис. А

Рис. Б

Рис. В

Рис. Г

Рис. Д

Рисунок 6. Отдельные стадии развития обратного разряда и изменение во времени тока молнии.

А – последняя стадия лидерного разряда; Б – последняя стадия лидерного разряда; В-возникновение зоны интенсивной ионизации вблизи поверхности земли; Г – промежуточная стадия развития обратного разряда; Д – заключительная стадия развития обратного разряда; l – канал лидера; 2 – зона перестройки канала; 3 – канал обратного разряда.

По мере продвижения канала лидера под действием создаваемого им электрического поля в земле происходит смещение зарядов, причем заряды, противоположные по знаку зарядам лидера (обычно это положительные заряды), стремятся расположиться как можно ближе к головке лидерного канала. В случае однородного грунта эти заряды скапливаются непосредственно под лидерным каналом. Если грунт неоднородный и основная его часть обладает большим удельным сопротивлением, заряды сосредоточиваются в участках с повышенной проводимостью (реки, грунтовые воды). При наличии заземленных возвышающихся объектов (молниеотводы, дымовые трубы, высокие здания, смоченные дождем деревья) заряды стягиваются к вершине объекта, создавая там значительную напряженность поля.

На первых стадиях развития лидерного канала напряженность электрического поля на его головке определяется собственными зарядами лидера и находящимися под облаком скоплениями объемных зарядов. Траектория движения лидера не связана с земными объектами. По мере опускания лидера все большее влияние начинают оказывать скопления зарядов на земле и возвышающихся объектах. Начиная с определенной высоты головки лидера (высота ориентировки), напряженность поля по одному из направлений оказывается наибольшей, и происходит ориентирование лидера на один из наземных объектов. Естественно, что при этом преимущественно поражаются возвышающиеся объекты и участки земли с повышенной проводимостью (избирательная поражаемость). С очень высоких объектов навстречу лидеру развиваются встречные лидеры, наличие которых способствует ориентированию молнии на данный объект.

Рисунок 7. Замыкание на землю вертикального заряженного провода

После того, как канал лидера достигнет земли или встречного лидера, начинается обратный разряд, во время которого канал лидера приобретает потенциал, практически равный потенциалу земли. На головке развивающегося вверх обратного разряда имеется область повышенной напряженности электрического поля, под действием которой происходит перестройка канала, сопровождающаяся увеличением плотности зарядов плазмы от 10¹³ – 10¹⁴ до 10¹⁶ – 10¹⁹ 1/м³ , благодаря чему проводимость канала увеличивается, по крайней мере, в 100 раз. Во время развития обратного разряда через место удара проходит ток i_M = σ v, где v – скорость обратного разряда.

Таким образом, и при разряде молнии ток в месте удара будет равен σv только при сопротивлении заземления, равном нулю. При сопротивлениях заземления, отличных от нуля, ток в месте удара уменьшается. Количественно определить это уменьшение довольно трудно, так как волновое сопротивление канала молнии можно оценить лишь грубо приближенно. Имеются основания предполагать, что волновое сопротивление канала молнии уменьшается при увеличении тока, причем среднее значение примерно равно 200 – 300 Ом. В таком случае при изменении сопротивления заземления объекта от 0 до 30 Ом ток в объекте изменяется всего на 10%. Такие объекты в дальнейшем мы будем называть хорошо заземленными и считать, что через них проходит полный ток молнии i_M = σ v.

Молнии с большими токами возникают крайне редко. Так, молнии с токами 200 кА возникают в 0,7… 1,0% случаев от общего числа наблюдавшихся разрядов. Число случаев ударов молний с величиной тока 20 кА составляет порядка 50%. Поэтому принято значения амплитуд токов молний представлять в виде кривых вероятностей (функций распределения), для которых по оси ординат откладывается вероятность появления токов молнии с максимальным значением.

Основной количественной характеристикой молнии является ток, протекающий через пораженный объект, который характеризуется максимальным значением i_M , средней крутизной фронта и длительностью импульса t_и , которая равна времени уменьшения тока до половины максимального значения.

Рисунок 8. Кривые вероятности токов молнии