Если интенсивность грозовой деятель­ности выражена годовым числом грозовых дней , то удельная плотность разрядов в 1 км² поверхности за число грозо­вых часов в году можно оценить по рис. 9.1. Однако следует иметь в виду, что при одном и том же значении удельная плотность ударов молнии в землю подвер­жена значительным разбросам вследствие влияния рельефа местности и климатиче­ских условии.

Для территории нашей страны . Чем больше число грозовых дней в году, тем продолжительнее грозы. Из этого следует, что зависимость нелинейна, и поэтому нельзя харак­теризовать грозовую деятельность просто числом ударов молнии в 1 км² поверхности земли за 100 грозовых часов.

Возвышающиеся над поверхностью земли объекты вследствие развития с них встречных лидеров собирают удары молнии с площади, превышающей занимаемую территорию. Однако, приняв , можно оценить число ударов молнии за 100 грозовых часов в сооружение длиной А, шириной В и высотой Н (размеры в метрах) по формуле

Число ударов молнии в 100 км ВЛ элек­тропередачи за 100 грозовых часов

где - средняя высота подвеса троса или, при отсутствии тросов, верхнего провода; — высота опоры, м; — стрела провеса троса или провода, м.

Годовое число ударов молнии в линию длиной км, при числе грозовых часов в году , ч/год, определяется как

9.2. НАКОПЛЕНИЕ ЗАРЯДОВ В ГРОЗОВОМ ОБЛАКЕ

Грозовые облака (кучево-дождевые) про­стираются на высоте до 15 км, а их основа­ние находится на высоте 0,3-3,5 км. Грозо­вое облако представляет собой громадную «вытяжную трубу», в которой потоку воз­духа по мере его подъема непрерывно сооб­щается дополнительное тепло, поэтому в зоне облака он всегда теплее, чем вне его. По мере вертикального восхождения потока воздуха в нем происходит конденсация водя­ных паров, при которой выделяется тепло, затем происходит замерзание капель, также сопровождающееся нагревом окружающего воздуха.

В верхней части грозовое облако может состоять из снежинок, кристаллов льда, ледяной или снежной крупы, градин. Ниж­няя часть, находящаяся при температуре выше 0ºС, состоит обычно из крупных капель воды и поэтому выглядит очень темной.

Площадь основания грозовых облаков, образующихся в летнее время в результате нагрева земной поверхности (тепловые грозы), составляет несколько квадратных километров Если грозовые облака возни­кают на границе раздела теплых и холодных воздушных масс (фронтальные грозы), то занимаемая ими площадь составляет полосу шириной до 15 км и длиной десятки и даже сотни километров

Громадная масса воды и льда удержива­ется в грозовом облаке восходящими воз­душными потоками, скорость которых сос­тавляет 5—30 м/с. Эти потоки увлекают нагретый у поверхности земли воздух и тем самым снабжают грозовое облако теп­ловой энергией, часть из которой затем преобразуется в электрическую.

---

Таким образом, фазе молнии предшест­вует процесс электризации частиц воды и льда, разделения и накопления электриче­ских зарядов в грозовом облаке.

Имеется множество теорий электриза­ции капель воды и кристаллов льда в грозо­вых облаках, в большинстве своем нашед­ших подтверждение в лабораторных иссле­дованиях. В грозовом облаке могут действо­вать несколько механизмов электризации в зависимости от стадии развития облака и агрегатного состояния воды в нем.

Рассмотрим два механизма, характерных для нижней части грозового облака при тем­пературе выше 0ºС и для частей облака расположенных выше нулевой изотермы.

Рис. 9.2. Процесс разделения зарядов в облаке при положительных температурах воздуха

Рис. 9.3. Процесс разделения зарядов в облаке при отрицательных температурах

В основу механизма электризации, действующего при положительной темпе­ратуре, положено дробление крупных дож­девых капель в восходящем потоке воздуха. На границе капли воды и окружающего ее воздуха образуется так называемый двой­ной электрический слой, при этом поверх­ность капли имеет отрицательный заряд (рис. 9.2). В восходящем воздушном потоке при скорости v около 8 м/с водяная капля расплющивается, теряет устойчивость и дробится. Мелкая водяная пыль, сорванная с поверхности капли, оказывается отрица­тельно заряженной и уносится вверх. Крупные элементы капли остаются в ниж­ней части облака и несут на себе положи­тельный заряд.

Механизм электризации при отрицатель­ных температурах связан с процессом замер­зания капель воды. Замерзание начинается с поверхности капли, которая покрывается коркой льда (рис. 9.3). Выделяющееся при этом тепло поддерживает температуру внутри капли около 0ºС. Под действием раз­ности температур между сердцевиной капли и ее поверхностью происходит диффузия ионов Положительные ионы водорода Н⁺ обладают большей подвижностью, чем ноны ОН^–, поэтому поверхностный слой капли заряжается положительно, в то время как сердцевина капли получает избыточный отрицательный заряд. Когда замерзает серд­цевина капли, то вследствие ее расширения ранее замерзший поверхностный слой лопа­ется, и его положительно заряженные осколки уносятся потоком воздуха в верхние части облака.

На рис. 9.4 показана усредненная модель грозовой ячейки облака. Уровни расположе­ния зарядов близки к наблюдаемым, а значе­ния зарядов соответствуют средним значе­ниям напряженности электрического поля, измеряемым у поверхности земли. Сравни­тельно небольшой положительный заряд в нижней части облака переносится каплями дождя на землю. Предполагается также, что он может способствовать развитию разряда из отрицательно заряженной области.

Грозовое облако по структуре основных зарядов представляет собой диполь. Сред­ний электрический момент, нейтрализуемый при разряде, составляет около 100 Кл∙км, а максимальный — примерно 500 Кл∙км. Частота разрядов при умеренных грозах — около одного в 1 мин., а при интенсивных — может достигать 5—10 в 1 мин.

---

Рис. 9.4. Структура грозовой ячейки облака

Средняя плотность зарядов в облаке 3∙10⁹ — 3∙10 ⁸ Кл/м³, а скорость их накопления 3∙10^-10—3∙10^-8 Кл/(м³-с). Средняя про­должительность электрической активности отдельного грозового облака 30—40 мин.

9.3. ВОЗНИКНОВЕНИЕ

И РАЗВИТИЕ МОЛНИИ

Как отмечалось, большинство ударов молнии (80—90 %) развиваются из отрица­тельно заряженных областей грозового облака и переносят на землю отрицатель­ный заряд.

По мере концентрации отрицательных зарядов в облаке увеличивается напряжен­ность электрического поля, и когда она достигает критического значения, завися­щего от высоты над землей, становится возможной ионизация воздуха, и в сторону земли начинает развиваться разряд. На начальной стадии, называемой лидерной, канал разряда развивается ступенчато Ступени следуют друг за другом с интер­валами 30—50 мкс. Во время каждой сту­пени канал удлиняется на 5—100 м. Новая часть разрядного канала светится очень ярко, в то время как старая вспыхивает сравнительно тускло (рис 9.5). Лидерный процесс развивается со средней скоростью (1—2)10⁵ м/с и продолжается (в видимой с земли части) 10—30 мс.

Канал лидера окружен обширной зоной ионизации, имеющей избыточный заряд того же знака, что и облако. Радиус зоны ионизации можно оценить по формуле

где — напряженность поля на границе зоны ионизации (меньше критической напряженности, может быть принята рав­ной 10—15 кВ/см); — линейная плот­ность заряда (зависит от лидерного тока и средней развития лидера может быть оценена как ).

Рис. 9.5. Схема развития нисходящей молнии:

1 — ступенчатый лидер; 2 - стреловидный лидер, 3 - главный разряд; 4 — ветвь

Ток в лидерной стадии молнии имеет порядок десятков и сотен ампер. Варьируя ток, получаем значения радиуса зоны иони­зации м.

Заряды облака и лидера индуцируют на поверхности земли и на расположенных на ней объектах заряды другого знака. По мере приближения лидера к земле индуци­рованный заряд и напряженность электри­ческого поля на вершинах возвышающихся над поверхностью земли объектов вырас­тают, и с них могут начать развиваться встречные лидеры.

Когда канал развивающегося от облака лидера приближается к земле или к одному из встречных лидеров на расстояние 25 - 100 м, то между ними возникает высокая напряженность электрического поля, сред­нее значение которой оценивается в 10 кВ/см. Промежуток между лидерами про­бивается за несколько микросекунд, и в нем выделяется энергия 0,5 - 5 МДж, которая расходуется на нагрев и термоионизацию. Проводимость этой части канала разряда резко возрастает. Область высокой напря­женности поля, образовавшаяся на границе контактирующего с землей хорошо проводя­щего канала и зоны ионизации лидера, пере­мещается по направлению к облаку со ско­ростью 1,5∙10⁷ — 1,5∙10⁸ м/с (0,05—0,5 скорости света). При этом происходит нейтрализация зарядов лидера. Ток в канале за 5 – 10 мкс достигает многих десятков кило-ампер, а затем за 25 —200 мкс понижается до половины максимального значения. Процесс этот, называемый главным разрядом, сопро­вождается сильным свечением канала раз­ряда и электромагнитным излучением. Канал разряда, разогретый за очень короткое время до температуры 20000—30000 К, быстро расширяется, что вызывает распро­странение в окружающем воздухе ударной волны, вырождающейся в звуковую и вос­принимаемой как гром.

---

В завершающей (финальной) стадии молнии по каналу в течение десятков мил­лисекунд проходит ток порядка десятков и сотен ампер. В это время нейтрализуются заряды облака.

В грозовом облаке во многих случаях образуется не одна область концентрации зарядов, а несколько. Располагаются они, как показывает анализ изменения электри­ческого поля во время удара молнии, в основном на разной высоте. Поэтому раз­витие разряда из нижней заряженной области по другим направлениям, кроме земли, затруднено. Только после нейтрали­зации заряда нижней области становится возможным разряд из следующей по высоте концентрации зарядов (рис. 9.6).

Лидер повторного разряда развивается по ионизированному пути, проложенному первым разрядом, поэтому скорость его выше и имеет порядок 10⁶ м/с. Развивается он непрерывно, без ступеней. Ярко све­тится только его головка, прочерчивая на фоторазвертке во времени непрерывную линию (см. рис. 9.5). Особенности разви­тия лидера повторных разрядов дали осно­вание называть его стреловидным.

По достижению стреловидным лидером наземного объекта или встречного лидера происходит повторный главный разряд, соп­ровождающийся прохождением по каналу большого тока и ярким его свечением.

Рис. 9.6. Схема развития двухкомпонентной молнии

В большинстве случаев молния состоит из двух-трех отдельных разрядов (компонен­тов), однако наблюдаются молнии и с боль­шим числом компонентов (до 20—30). На рис. 9,7 показаны вероятности возникнове­ния молний с разным числом компонентов. Многокомпонентная молния может длиться до 1,3 с (самое большое зарегистрированное время). Чаще же всего длительность молнии не превышает 0,1 с. Следующие друг за дру­гом яркие вспышки канала при повторных импульсах тока воспринимаются наблюдате­лем как мерцание молнии.

Рис. 9.7. Распределение числа компонентов в ударе молнии

Рис. 9.8. Схема развития восходящей молнии (обоз­начении см. на рис. 9.5)

Если высота объекта составляет сотни метров, то напряженность электрического поля на его вершине может достигнуть критического значения раньше, чем напря­женность поля в облаке, В таких случаях развитие молнии начинается не с облака, а с вершины объекта. Большинство разрядов, поражающих Останкинскую телебашню, начинается развитием лидера с ее вершины (540 м над поверхностью земли).

Такие молнии не имеют резко выражен­ной главной стадии. Лидеры повторных разрядов в этих случаях всегда развива­ются от облака к земле, и повторные ком­поненты не отличаются от нисходящих от облака молний (рис. 9.8).

9.4. ВИДЫ МОЛНИЙ И ПАРАМЕТРЫ ТОКА

Из предшествующих параграфов сле­дует, что молнии могут быть отрицатель­ными (их большинство) или положитель­ными в зависимости от знака заряда облака. Из самой структуры грозового облака (см. рис. 9.4) следует, что в некоторых случаях они могут быть биполярными, например, в начальной части на землю проходит отрица­тельный ток (переносятся отрицательные заряды), а потом его полярность меняется на положительную,

---

В зависимости от направления развития лидера — от облака к земле или наоборот - молнии разделяются на нисходящие (направ­ленные вниз) и восходящие (направленные вверх). Последние наблюдаются при пора­жениях высоких объектов и в горах. Вероят­ность возникновения восходящих молний возрастает с увеличением высоты объекта. При поражениях конструкций высотой около 100 м только в 10 % случаев молнии бывают направленными вверх, в то время как при высоте конструкции более 400 м восходящие молнии составляют 95 %.

Наряду с завершенными разрядами, образующими канал облако—земля, могут быть и незавершенные разряды. В послед­нем случае лидерный канал прекращает свое развитие, не доходя до противополож­ного электрода — земли или облака. При­чиной этому могут быть быстро меняющи­еся условия в недостаточно зрелом грозо­вом облаке.

Классификация молний по К. Бергеру (1977 г) показана на рис. 9.9. Для боль­шинства наземных сооружений характерны типы молний 1b и 3b.

Токи молнии являются причиной повы­шения потенциалов в точке удара и на металлических конструкциях, электриче­ски связанных с этой точкой, а также на контуре заземлителя. Возникают высокие напряжения и на участках электрических контуров, по которым протекает ток мол­нии или его часть. Значения повышенного потенциала и возникающих высоких напря­жений прямо пропорциональны активному сопротивлению и индуктивности контура растекания тока молнии.

В точке удара возникает мощный тепловой поток. Он определяется током и паде­нием напряжения в приэлектродной области, которое практически не меняется во вре­мени и не зависит от тока. Поэтому тепло­вой поток, поступающий в металл в точке удара, прямо пропорционален протекшему заряду.

Рис. 9.9. Классификация молний по К. Бергеру:

Л - направление развития лидера; ГР — направление развития главного разряда

Нагрев металлических элементов, по которым протекает ток молнии, определя­ется произведением активного сопротивле­ния и так называемой удельной энергии тока молнии, представляющей интеграл квадрата тока по времени.

Таким образом, при молниезащите необ­ходимо считаться со следующими парамет­рами тока молнии:

• максимальное значение тока молнии и изменение тока во времени;

• наибольшая крутизна тока ;

• заряд, переносимый током, ;

• удельная энергия .

Рис. 9.10. Типичная осциллограмма тока молнии, развивающейся с положительна заряженного облака

Ток молнии сложным образом меняется во времени. При положительной поляр­ности заряда облака (примерно 10 % общего количества грозовых разрядов) он представляет собой однократный унипо­лярный импульс и последующую за ним так называемую постоянную составляю­щую тока молнии. На рис. 9.10 показана типичная осциллограмма тока главного разряда положительной молнии.

---

Смотрите также файлы

• Санитарлы-қорғаныс аймақты анықтау және зиянды қоспалардың атмосферада сейілуін есептеу.docx

• шпоры саясаттану.docx

• все формулы вышмат.doc

• Алгебра 1 семестр.pdf

• ЭОиУП A416 5В070200 каз Тузелбаев.pdf