Комплекс движения и взаимодействия энергетических зарядов в земной оболочке, изучаемый специальным разделом физики, называется атмосферным электричеством. Исследуется поле вокруг заряженных частиц и тел, появляющееся при изменении магнитной индукции, процесс образования ионов, способность возникновения тока и его проведения. Прорабатывается возможность частиц участвовать в электромагнитном взаимодействии и продуцировать излучение.
Электрические эффекты в атмосфере
Все проявления связаны между собой, их различие обусловлено местными метеорологическими условиями. К области изучаемого понятия относятся процессы, возникающие в стратосфере (слоях на высоте 12−52 км) и тропосфере (надземном воздухе высотой от 8 до 18 км).
Доказано действие электричества при рождении молнии, этим же объясняется возникновение зарядов, сияний при разной полярности грозовых облаков. Проводящие атмосферные слои на высоте 55−100 км открыты в результате исследований, изучаются прямым способом в процессе развития космонавтики.
Исследуется природа электризации облаков в грозу с целью подчинить процесс, использовать для человеческой деятельности, целенаправленно управлять. Распознавание роли энергетических сил в образовании туч снижает опасность электризации летательных аппаратов и приближает к раскрытию секрета шаровой молнии.
Физическая природа
Запас энергии на оболочке водяных микрочастиц находится долго, постепенно тяжелые крупицы формируют нижний пласт облака, остальные концентрируются в верхней части. Целостность сохраняется благодаря свойству различных полюсов притягиваться один к другому. При кристаллизации капель, превращении их в грудки града или снежинки выделяется тепло. Ветер ударяет частицы друг о друга, изменяется показатель заряда, и возникает дополнительный ток протонов.
Отсюда видно, что организованный ток электронов в статических условиях и атмосферной области имеет одинаковую природу возникновения, хотя масштабы явления и полюса движимых частиц различные. Снег, выпадая на землю, электризуется от удара о поверхность и предметы. Это проявляется в том, что при сильных метелях в условиях критически низких температур (на Севере) в клубах снега проскакивают вспышки фиолетового цвета и встречается свечение острых предметов. Эти же явления, аналогичные по природе, видны при песчаных и пыльных бурях огромной силы.
Заряды в облаках распределяются по сложной системе. Иногда туча имеет в двух частях разные заряды или бывает наэлектризована положительно или отрицательно. В результате большие по объему области атмосферы, доходящие до нескольких километров, несут одноименные способности проводить энергию. Потенциал грозовой тучи измеряется в десятках миллионов вольт, иногда доходит до миллиарда.
Явление молнии
В грозу зарождается искровой энергетический разряд в озоновой оболочке, заявляющий о себе вспышкой ослепительного света и последующим звуковым эффектом. Местами образования молний считаются:
дождевые кучевые облака;- дождевые слоистые тучи;
- области вулканической активности;
- участки появления торнадо;
- регионы пылевых бурь.
Распространен вид линейных молний, относящихся к импульсным или высокочастотным разрядам при отсутствии электродов в рабочей области. Этим они отличаются от искрового разряда в газах между контактными проводниками с ионами. Свойства молний:
длина искры более нескольких сотен метров;- разряд появляется в энергетических полях слабее тех, что участвуют в межэлектродных процессах;
- заряды с миллиардов изолированных частиц (в пределах нескольких километров) собираются за тысячные мгновения секунды;
- в молнии электричество переходит в свет, тепло и звук, они возникают для релаксации мощного заряда;
- рукав молнии равен в диаметре 1 см;
- направленный ток электронов в нем составляет от 10 до 100 кА, температура внутри около 25 тыс. градусов С, при этом время прохождения занимает секундные доли.
Деление разрядов
Явления, возникающие в грозовых тучах, различают в виде молний внутри облака и тех, что ударяют в поверхность земли. Для их появления необходимо присутствие в небольшом облаке электромагнитного поля с определенным значением внутренней силы под действием разных факторов (1 МВ/м). В общей окружающей области напряжение должно иметь средний показатель, поддерживающий зарождение разряда (0,1−0,2 МВ/м).
Гладкие разряды относятся к начальной форме молний в тропосфере, у них часто образуется неразветвленный ровный ствол. Такое явление визуализируется при ячеистом характере грозы, неустойчивых показателях воздуха, во время смерча. Часто проявляется единичный импульс, несущий положительный заряд.
Молнии облако-земля лидируют по длине (до 150 км), частота их возникновения растет с приближением к экватору. Явление сопровождается изменением электромагнитных пространств вокруг частиц и радиоволн. Опасность поражения объекта, расположенного на земле, возрастает с увеличением его высоты. На частоту ударов влияет способность почвы на глубине под предметом или на поверхности вокруг проводить заряды.
Если в туче есть поле, способное поддержать молнию, но не хватает мощности для ее появления, то высокий проводящий предмет или самолет инициирует разряд. Определяющим фактором является наэлектризованность металлического тела. Чаще молнии между небом и землей провоцируются в дождевых и кучевых облаках.
Вспышки в верхних слоях
Особые разряды возникают в высотных пластах окружающего землю воздуха. Мгновенные вспышки отличаются неожиданной формой или размытостью слоев. Они направляются к поверхности или еще дальше вверх, что видно визуально. Различают типы молний:
- огромные — эльфы;
- конусы — джеты;
- малоизученные спрайты.
Эльфы видны в виде больших в диаметре (400 км) световых явлений в виде конуса. Они искрятся слабо и возникают в верхней области грозовой тучи. По высоте конус доходит до 100 км, длительность визуализации колеблется от 3 до 5 мс.
Джеты наблюдаются в форме трубок или конусов синего колера, их свечение ярче, чем эльфов, но высота меньше (область ионосферы над землей 42−70 км). По продолжительности их можно видеть в течение 4−6 мс.
Спрайты видны слабо, почти неразличимы, но появляются с упорством в каждую грозу. О физической природе явления известно мало, визуально видно, что направление молнии идет вверх из тучи. Возникают разряды на высоте 52−135 км над поверхностью почвы.
Зарницы в небе
Мгновенные искрящиеся вспышки появляются на горизонте при прохождении грозы в далеких местностях. Звук грома не слышен, визуально определяется только отблеск от дождевых и кучевых облаков (вершин). Эффект возникает после середины лета в сумерках или ночью. В тропиках зарницу видно не только на горизонте, но и в небе над головой наблюдателя.
Причинами появления названы следующие:
- Свет отражается от разреженного пара в атмосфере, которого не видно при просмотре с поверхности земли. Дальние искровые разряды отражаются от мельчайших водяных частиц и становятся видимыми на отдаленном расстоянии.
- Иногда вспышки происходят под облаками, которые видны на большой протяженности. Их контуры становятся фоном для зарницы. Отблески молнии видны, но грома не слышно из-за значительного расстояния.
- Сухие грозы нельзя отнести к категории зарниц, но они похожи по визуализации. При явлении разряды грозы возникают в прозрачной и неразличимой облачности, точнее, в сильно разреженном паре, при этом звуковое сопровождение отсутствует.
Опасность факторов
В облаках частицы присутствуют в виде пара, жидкости или кристаллов. Попадают они в атмосферу после испарения из водных пространств. Из-за того, что общий протонный поток направляется от крупных частиц к мелким, большие капли заряжены отрицательно, а маленькие — с положительным полюсом.
Молния признается опасным фактором большой мощности. Прямые воздействия разрушают строения, сооружения, высокие скалы, насаждения, вызывают пожары и непрогнозируемые взрывы, иногда ведут к смерти живых существ и людей. На пути молнии в объекте жидкость мгновенно преобразуется в пар с высокими показателями давления. Поражающее действие делят на виды:
- первичный — в результате непосредственного разрушения предмета или объекта;
- вторичный подразумевает возникновение высокой индукции, мощного электрического и магнитного поля или перенос больших потенциалов в здания.
Заряд электростатики грозового облака передает противоположный ток на цель, изолированную от поверхности почвы (внутреннее оборудование, кровли из металла, провода, радиосети). Энергоемкий потенциал сохраняется после окончания удара и релаксируются на близкие предметы. Он воспламеняет горючие материалы, воздействует на взрывчатые вещества и наносит травму людям, прикоснувшимся к заряженным объектам.
Защита от потенциалов и индукции
Уровень защиты объекта зависит от взрывоопасности построек и обеспечивается конструкцией устройства. Опасность зданий проводится в соответствии с нормами ПУЭ, выделяется три группы молниезащитного оборудования и две разновидности зон (А и Б). Для зон А требуется обеспечить перехват 99,6% молний, а на территории Б предупреждается 95% мощных небесных разрядов.
Электромагнитная индукция поступает внутрь здания после удара по кабелю, проводу из наружного пространства. Защита выполняется путем отвода зарядов в почву. Для этого внутреннее металлическое оборудование подсоединяется к заземлению с определенным уровнем распределения тока.
Между трубопроводами и иными протяженными коммуникациями из металла в местах их технологического приближения ставят перемычки. Они распределяют и обеспечивают равномерное перетекание наведенного тока без возникновения зарядов в соседний контур. Барьеры предусматривают через каждые 20 м.
Предупреждение заноса потенциалов с высокими показателями внутрь построек организовывают с помощью направления тока в участок почвы снаружи здания. Для этого ввод проводов, кабелей и коммуникаций в помещение соединяют с защитным устройством или связывают с заземляющим контуром в конструкции распределительной установки.
Отводы грозовых разрядов
Молниеотводы сооружают для приема на себя тока от грозовых энергетических импульсов и организованного его отвода в безопасное место на земле. Для защиты устанавливают отдельно расположенные вертикальные стержни с тросами. Вторым вариантом являются отводы, предусмотренные на самом защищаемом объекте, но изолированные от переноса электричества во внутренние сети и коммуникации из металла.
В конструкции отдельно расположенного отвода молний предусмотрены следующие конструктивные элементы:
основание (опора) высотой до 22−25 метров, материалом служит древесина, металл, бетон или железобетон;- приемник мощных импульсов энергии из сталей, его поперечное сечение не должно быть меньше 100 мм²;
- токоотвод с площадью в поперечнике больше 48 мм²;
- заземляющий контур.
Таким образом, появляется пояс в виде объемного конуса, высшая точка которого находится на вершине металлического вертикального стержня. На уровне почвы располагается окружность основания конуса, ее диаметр зависит от высоты уловителя молний.
Другим вариантом защиты предусмотрен монтаж отдельно расположенных стержневых элементов, которые не изолированы от металлических частей объекта. Это могут быть тросы или стержни, при этом сброс наведенного электричества организовывается путем изоляции от контакта с человеком и взрывоопасными предметами.
Примером служит прием импульсов на металлическое кровельное покрытие или на стальную решетку на нем. Обязательным условием является отвод энергетического потенциала в землю без контакта с бытовыми приборами и установками.
Разрешается в виде токоотводов использовать металлические элементы каркаса строения или запасные лестницы наружной эвакуации на стенах. При этом подсчитывают показатели импульсного сопротивления, предельные значения которого соотносят со специальными нормативными показателями.
