Физика молнии и молниизащиты

Базелян Э.М.
Райзер Ю.П.






                Физика молнии и молниезащиты










МОСКВА ФИЗМАТЛИТ ®

УДК 551.594
     Б17
ББК 22.333+31.247-5

I* I*  Издание осуществлено при поддержке
    I» <ггр и Российского фонда фундаментальных JJ         исследований по проекту 00-02-30318





   БАЗЕЛЯН Э.М., РАЙЗЕР Ю. П. Физика молнии и молниезащиты. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001. — 320 с. — ISBN 5-9221-0082-3.

   Излагаются современные представления о разряде молнии, ее опасных воздействиях и способах защиты от ннх. Рассматриваются механизмы инициирования и развития первого лидера молнии, главной стадии, сопровождающейся разрушительным током в месте удара, эффекты протяжения молнии к высоким сооружениям, воздействие на линии электропередач, подземные кабели, самолеты и др., как прямое, так и в результате электромагнитных наводок от удаленных разрядов. Критически обсуждаются результаты наблюдений и измерений с целью извлечь полезное для понимания молниевых механизмов. Рассматриваются средства защиты от молний, по возможности даются практические рекомендации. Ясное, доступное изложение сложного материала с максимальным использованием простых физических оценок, наряду с приведением результатов численного моделирования, делают книгу полезной не только для специалистов и тех, кто должен предусмотреть весь спектр опасностей со стороны молнии для объектов новой техники, но и для обучения.
   Для студентов и научных работников — физиков и геофизиков, а также для студентов и инженеров в областях энергетики, электро-, радио- и космической техники, авиации.



















ISBN 5-9221-0082-3

                                   ©ФИЗМАТЛИТ, 2001
© Э.М. Базелян, Ю.П. Райзер, 2001

        Оглавление

Предисловие ..................................................... 7

Глава 1. Первое знакомство с молнией, ее опасными воздействиями и защитой от них.............................................. 9
   1.1. Типы молний.............................................. 9
   1.2. Компоненты разряда молнии .............................. 12
   1.3. Основные фазы первого п последующих компонентов молнии .... 13
   1.4. Непрерывный и ступенчатый лидеры........................ 16
   1.5. Как часто поражает молния?.............................. 17
       1.5.1. Удары молнии в наземные сооружения................. 17
       1.5.2. Пораженце человека................................ 18
   1.6. Опасные воздействия молнии.............................. 19
       1.6.1. Последствия прямого удара......................... 19
       1.6.2. Индуцированные перенапряжения..................... 23
       1.6.3. Электростатическая индукция....................... 24
       1.6.4. Занос высокого потенциала......................... 26
        1.6.5. Прорыв тока молнии по искровому каналу скользящему вдоль поверхности грунта ..................................... 27
        1.6.6. Надежны ли молниеотводы?......................... 27
   1.7. Молния—источник электротеской энергии? ................. 30
   1.8. Тем, кто намерен читать дальше.......................... 30

Глава 2. Стримерно-лидерный процесс в длинной искре ............ 33
   2.1. Что нужно знать о длинной искре исследователям молнии... 34
   2.2. Длинный стример......................................... 38
       2.2.1. Процесс в стримерной головке как волна ионизации.. 38
       2.2.2. Оценка параметров стримера........................ 40
       2.2.3. Ток и поле в канале стримера за головкой.......... 44
       2.2.4. Нагрев газа в стримерном канале................... 49
        2.2.5. Электронно-молекулярные реакции в холодном воздухе и распад стримерной плазмы................................... 51
        2.2.6. До какой длины вырастает стример ................ 54
        2.2.7. Стример в однородном внешнем поле и в «отсутствие» электродов ................................................. 60
   2.3. Что требуется для длительного роста плазменного канала или принципы лидерного процесса...................................... 66
       2.3.1. Необходимость нагрева газа........................ 66
       2.3.2. Необходимость стримерного сопровождения........... 68
       2.3.3. Механизм стяпшання канала......................... 71
       2.3.4. Скорость лидера................................... 73
   2.4. Стримерная зона и чехол лидера.......................... 74
        2.4.1. Заряд и поле в стримерной зоне .................. 75
        2.4.2. Количество стримеров и частота нх следования от лидерной головки................................................. 77
        2.4.3. Ток лидерной головки............................. 78
        2.4.4. Ионизационные процессы в чехле................... 80

Оглавление

   2.5. Канал длинного лидера...................................... 82
        2.5.1. Поле и состояние плазмы............................. 82
        2.5.2. Баланс энергии в канале и сходство с дугой.......... 86
   2.6. Напряжение, нужное длинной искре........................... 88
   2.7. Отрицательный лидер........................................ 91

Глава 3. Фактические данные о молнии .............................. 95
   3.1. Электрическое поле в атмосфере при разряде молнии.......... 96
   3.2. Феноменология лидера первого компонента молнии............. 98
        3.2.1. Положительные лидеры................................ 98
        3.2.2. Отрицательные лидеры................................100
   3.3. Феноменология лидеров последующих компонентов..............102
   3.4. Ток лидеров молнии.........................................104
   3.5. Изменение электрического поля в лидерной стадии молнии ....106
   3.6. Как быть с дистанционными методами? .......................110
        3.6.1. Влияние формы лидерного канала......................111
        3.6.2. Влияние распределения заряда вдоль канала лидера...114
   3.7. Главная стадия молнии......................................117
        3.7.1. Скорость волны нейтрализации........................118
        3.7.2. Амплитуда тока......................................119
        3.7.3. Форма и временные параметры импульса тока...........125
        3.7.4. Электромагнитное поле...............................128
   3.8. Полная длительность вспышки молнии, процессы в межкомпонентных паузах.....................................................130
   3.9. Заряд и приведенная энергия молниевой вспышки..............133
  3.10. Температура и радиус молнии................................134
  3.11. Заключение: что дают и чего не дают измерения молнии.......136

Глава 4. Физические процессы при разряде молнии ...................138
   4.1. Восходящий положительный лидер.............................138
        4.1.1. Условия возникновения...............................138
        4.1.2. Рост лидера и его ток...............................140
        4.1.3. Проникновение внутрь облака и остановка.............144
        4.1.4. Влияние ветвлений и перемена полярности лидера......147
   4.2. Молнии, возбуждаемые изолированным от земли объектом.......148
        4.2.1. Двухлндерная система................................149
        4.2.2. Рост взаимосвязанных лидеров........................151
   4.3. Нисходящий лидер первого компонента молнии.................156
        4.3.1. Зарождение в облаках................................156
        4.3.2. Развитие отрицательного лидера и доставляемый им к земле потенциал..................................................159
        4.3.3. Влияние ветвлений ..................................163
        4.3.4. Особенности положительного нисходящего лидера.......165
        4.3.5. Встречный лидер ....................................166
   4.4. Главная стадия молнии......................................168
        4.4.1. Существо процесса...................................168
        4.4.2. Выводы из анализа точных решений уравнений длинной линии 171
        4.4.3. Преобразование канала во время главной стадии.......177
        4.4.4. Главная стадия молнии как волна преобразования лидерного канала.....................................................181
        4.4.5. Возникающие проблемы и возможные пути их решения .... 185
        4.4.6. Особенности главной стадии положительной молнии.....188
   4.5. Аномально большие импульсы тока положительных молний......189

Оглавление

5

   4.6. Ступенчатость отрицательного лидера.......................191
        4.6.1. Формирование и параметры ступени...................191
        4.6.2. Энергетическое влияние ступенчатости на канал лидера .... 193
   4.7. Последующие компоненты. М-компонент.......................196
   4.8. Последующие компоненты. Проблема стреловидного лидера.....199
        4.8.1. Стример в «волноводе»?.............................200
        4.8.2. Передний край нелинейной диффузионной волны .......202
        4.8.3. О возможности превращения диффузионной волны в волну ионизации..................................................204
        4.8.4. Волна ионизации в проводящей среде.................206
        4.8.5. Стреловидный лидер — стример в «непроводящем волноводе» 207
   4.9. Об экспериментальной проверке теории последующих компонентов . 210

Глава 5. Притяжение молнии к наземным объектам....................212
   5.1. Принцип эквидистантности..................................213
   5.2. Электрогеометрнческий метод...............................216
   5.3. Вероятностный подход к определению точки удара молнии.....217
   5.4. Лабораторные исследования процесса ориентировки...........221
   5.5. Экстраполяция к молнии....................................223
   5.6. О механизме ориентирующего действия внешнего поля на лидер . . 226
   5.7. Выбор молнией точки удара.................................229
   5.8. Почему несколько молниеотводов эффективнее одиночного.....233
   5.9. О некоторых технических характеристиках молниеотводов.....236
        5.9.1. Зоны защиты молниеотводов..........................236
        5.9.2. Угол защиты тросового молниеотвода.................237
  5.10. Зависимость защитного действия молниеотвода от технологических функций защищаемого объекта.....................................238
  5.11. Притяжение молнии к летательным аппаратам.................241
  5.12. Можно ли управлять процессами ориентировки и выбора?......245
  5.13. Если молния промахнулась .................................249


Глава 6. Грозовые перенапряжения и другие опасные воздействия . . 251
   6.1. Индуцированные перенапряжения .................................253
       6.1.1. «Электростатические» воздействия зарядов облака и молнии . 253
       6.1.2. Перенапряжения, индуцированные магнитным полем молнии . 256
   6.2. Удар молнии в экранированный объект............................258
       6.2.1. Перенапряжения при ударе молнии в металлический корпус объекта...................................................258
       6.2.2. Путь молнии к подземному кабелю....................259
       6.2.3. Перенапряжения на изоляции подземного кабеля.......262
       6.2.4. Влияние скин-эффекта ....................................268
       6.2.5. Влияние формы сечення оболочки.....................270
       6.2.6. Перенапряжения в двухпроводных системах .................274
       6.2.7. О лабораторных испытаниях объектов с металлическими оболочками ..................................................275
       6.2.8. Перенапряжения в многослойных экранированных кабелях . . 278
   6.3. Занос высокого потенциала по металлическим коммуникациям . . . 280
   6.4. Перенапряжения прямого удара...................................283
       6.4.1. Работа заземлителя при отводе в землю больших импульсных токов ....................................................283
       6.4.2. ЭДС индукции в пораженном молнией объекте................288
       6.4.3. Напряжение на изоляции, отделяющей пораженный молнией объект от соседних........................................289

Оглавление

       6.4.4. Особенности линий с молниезащитными тросами.......296
   6.5. Заключительные замечания................................299
Список литературы...............................................301
Дополнение при корректуре. О влиянии короны на возбуждение восходя       щих лидеров и инициирование молний с помощью лазеров .... 308
    1.  Влияние короны на лидер.................................308
       1.1. Простейшая модель короны............................308
       1.2. Возникновение стримерной вспышки у коронцрующего электрода. 310
       1.3. Рождение лидера внутри ионного облака...............311
       1.4. Возможность лидеру выйти за пределы ионного облака..311
    2.  Лазерное инициирование молний...........................312
       2.1. Основные схемы и лазеры.............................312
       2.2. Требования к плазменному проводнику в свободной атмосфере. . 314

    Предметный указатель........................................316

        Предисловие

   Сегодня человек знает о молнии достаточно, чтобы навсегда избавиться от мистического страха древних перед нею и разумно создавать молнисстойкую технику. Линии электропередачи, небоскребы, суда, авиалайнеры и космические корабли все меньше страдают от молнии. Страдают все меньше, но всс-таки страдают! Уверенного, а часто несколько самоуверенного инженера на каждом этапе технического прогресса она подстерегает с новым оружием и продолжает войну по новым, только ей известным правилам. Чем совершеннее и умнее становится техника, чем плотнее она набивается электроникой и полнее способна заменить человека, тем изощреннее действует молния. Она нападает с неожиданной стороны и на какое-то время снова делает нас беспомощными.
   Меньше всего нам хотелось бы представить в этой книге набор универсальных технических решений по молнисзащитс. Задача эта столь же неблагодарная, как реклама универсального антибиотика, смертельного для любого болезнетворного микроба. Мир изменчив и зачастую сегодняшняя панацея становится бесполезной пилюлей раньше, чем обветшают рекламные листки. Повторяем, технический прогресс никогда нс заставал молнию врасплох. Совершенствование и миниатюризация технических устройств заставляют беспокоиться о все более тонких механизмах вредных воздействий молнии. Предусмотреть их все нс дано никакому прорицателю.
   Нс входит в наши планы и скрупулезный пересказ всех фактических данных о молнии. Их накоплено очень много. К тому же уже изданы очень удачные монографии, способные предоставить почти любую информацию справочного характера. В первую очередь, здесь хотелось бы упомянуть двухтомник Lightning под редакцией R.H. Goldc (Academic Press, 1977) и книгу М. Uman. Lightning Discharge (Academic Press, 1987).
   Цель своей книги мы видим в другом. Нам кажется важным дать достаточно отчетливые и современные физические представления о механизме развития молнии, чтобы на их основе можно было судить о важных для исследователя и инженера характеристиках этого грандиозного газоразрядного явления. На таком материале разумно рассмотреть природу разнообразных опасных проявлений молнии, снова концентрируя внимание на физических механизмах взаимодействия молнии с поражаемым объектом. Результаты анализа используются для оценки эффективности традиционных методов защиты, для прогноза технических путей их совершенствования. Нс пренебрегаем мы, где это возможно, и конкретными техническими рецептами и рекомендациями. Однако наш дальний прицел — подготовить читателя к самостоятельному прогнозу, снабдив его информацией, которая поможет предвидеть весь спектр потенциально опасных воздействий молнии на еще только задуманный или проектируемый новейший технический объект. Нам

Предисловие


нс раз приходилось видеть, с каким трудом «навешивают» молнисзащитныс средства на уже действующий опытный образец и как «сопротивляется» техника таким противоестественным действиям инженера. При идеальной организации дела конструктор должен предвидеть все нюансы взаимоотношений молнии с создаваемым объектом. Только тогда молнисзащита станет функциональной; многие ее устройства удастся совместить с элементами конструкции нового сооружения. Мы надеемся, что наша книга подготовит инженера к этому, единственному на наш взгляд, целесообразному и экономически обоснованному подходу.
   Эта книга является закономерным продолжением нашей предыдущей книги «Исковой разряд» (Москва. Изд-во МФТИ, 1997), посвященной в основном ДЛИННОЙ ИСКрС, т.с. стримсрно-лидерному пробою длинных промежутков. Стримерно-лидерный процесс сопровождает и любой разряд молнии, протекая в той стадии, когда плазменный канал молнии перебывает гигантский воздушный промежуток. Хотя за разрушительные воздействия молнии ответственна в основном следующая за лидерной главная стадия, исходное для нее состояние канала разряда подготавливается именно лидером. Понимая, как неудобно работать с книгой, где читателя все время отсылают к другой, мы предваряем рассказ о механизмах развития и разрушительных воздействиях молнии концентрированным очерком стримерно-лидерного процесса, уделяя в нем особое внимание экстремальным оценкам. Надеемся, что глава 2 окажется полезной даже для тех, кто уже ознакомился с упомянутой книгой.
   В этой книге использованы некоторые результаты исследований молнии, полученные в Энергетическом институте им. Г.М. Кржижановского. Авторы благодарны Б.Н. Горину и А.В. Шкилсву за любезно предоставленные оригиналы фотографий молнии.

        Г л а в a 1

        Первое знакомство с молнией, ее опасными воздействиями и защитой от них

   Чтобы близко познакомиться с молнией, хорошо бы побывать в специализированной лаборатории. Эти лаборатории есть на всех континентах Земли (кроме Антарктиды). Можно ограничиться и обзором неба с крыши дома, захватив с собой фотоаппарат. Даже самые обычные снимки позволяют различать детали, которые не доступны глазу. Впрочем, можно и не покидать любимого кресла. Достаточно придвинуть его к окну, не затененому высокими деревьями и домами, и ждать грозового вечера, еще лучше — ночи.
   Времени на подготовку хватит, гроза будет подкрадываться медленно и мало заметно. Сначала тревожно застынет воздух. Станет темнее, значительно темнее, чем просто летним вечером. Тучу еще не видно, но она уже угадывается по беззвучным сполохам у самого горизонта. Зарницы постепенно набегают на Вас, и вот уже самые близкие и яркие отдают в ушах запоздалым, пока еще беззлобным рокотом. Так может продолжаться долго. Кажется, туча застыла на месте или повернула в сторону, но небо вдруг вспарывается пополам огненным лезвием и оттуда бьет по ушам ничем не воспроизводимый грохот. Это не краткий, пусть даже столь же оглушительный орудийный выстрел, а затянутый во времени раскат. Кажется, что первый разряд распахивает тучу — теперь из нее валом сыпятся молнии. Некоторые ударяют в землю, другие продолжают расчерчивать небо, соревнуясь с самой первой вспышкой в красоте и длине траектории. Настало время наблюдений. Можно открыть затвор фотокамеры и попытаться получить снимки.

    1.1. Типы молний

   Рекомендацию открыть затвор камеры нужно воспринимать буквально. Снимая камерой с предварительно открытым затвором, исследователи получили немало информации. Желательно только, чтобы в поле зрения объектива не было ярких посторонних источников света. Тогда пленку можно экспонировать в течение нескольких минут, дожидаясь, пока молния попадет в кадр. После этого затвор закрывают, пленку перематывают и приступают к следующему снимку. Опыт показывает, что в хорошую ночную грозу по крайней мере треть снимков оказываются удачными.
   Все разряды молнии легко разделить на две группы: межоблачные и удары в землю. Последних явно меньше, примерно в 2-3 раза, иногда

Глава 1. Первое знакомство с молнией

еще меньше. Межоблачный разряд никогда не развивается по прямой. На той части его канала, что не закрыта облаками, видны многочисленные искривления и ветвления. Как правило, длина канала достигает нескольких километров, в отдельных случаях — десятков километров.
   Длина канала у разрядов молнии в землю более определенная. Средняя высота грозовых облаков в Европе близка к Зкм. Примерно такую же среднюю длину имеют каналы молнии. Конечно, этот параметр статистически варьируется. Во-первых, из-за того, что молния может стартовать от заряженного центра облака, расположенного на разной высоте (вплоть до 10 км), во-вторых, — вследствие многочисленных изломов траектории. Искривления хорошо видны невооруженным глазом. На снимках же они часто поражают своей причудливостью (рис. 1.1). Фотографии передают еще одну особенность разрядов в землю, недоступную глазу: кроме основного

Рис. 1.1. Статическая фотография разряда молнии в Останкинскую телебашню в Москве

яркого канала, достигшего земли, существуют многочисленные ответвления, прекратившие свое развитие на самой разной высоте. Длина отдельных ветвей может быть очень большой, иногда сравнимой с основным каналом (рис. 1.2).
   Ветви удобны для определения направления развития молнии. Молния, как и дерево, ветвится в сторону роста. Кроме молний, прорастающих от облака к земле, — их называют нисходящими молниями, наблюдаются разряды, которые стартуют от высокого наземного со

оружения и движутся к облаку. Это восходящие молнии (рис. 1.3). Направление их развития выдают ветви, расходящиеся друг от друга снизу вверх. Восходящая молния в равнинной местности может возникнуть только от очень высокого здания или башни, как правило, не меньше 100-200 м высоты. Чем выше сооружение, тем больше доля восходящих молний. Из всех молний, поражающих Останкинскую телебашню в Москве высотой 530 м, более 90% — восходящие [1.1]. Похожая ситуация характерна для нью-йоркского Empire State Building высотой около 410 м [1.2]. Про такие высокие сооружения правильнее говорить, что они не столько поражаются молниями, сколько сами обстреливают ими грозовое облако. В горных районах восходящие молнии наблюдались и при существенно меньшей высоте заземленного объекта. Как пример, можно сослаться на результаты наблюдений грозовой деятельности на горе Сан-Сальваторе в Швейцарии [1.3]. Высота приемной башни равнялась там всего 70 м. Тем не менее, большинство молний, поразивших ее, были восходящими.
   Небоскребами и высотными телеантеннами земля не забита. Поэтому логично желание исследователя соорудить в нужном месте хоть на короткое время личную молниетворную башню. Для этого к грозовому облаку