[02-2001] Огни святого Эльма и молнии

[Admin]

Огни святого Эльма и молнии

С давних времен люди наблюдали в грозовые ночи необъяснимое холодное свечение различных предметов. Известно, что в ночь перед одним из сражений Юлий Цезарь (подробнее почитать биографию этого древнеримского деятеля можно по ссылке https://www.istmira.com/drugoe-drevn...nye-fakty.html ) воспринял огненное свечение кончиков копий своих легионеров как вестник победы. Вестниками беды или счастливого спасения восприняли моржи во время шторма голубое свечение кончиков мачт своих кораблей. Можно привести еще немало подобных примеров. Со временем эти свечения получили одно общепринятое название - огни святого Эльма, так как их часто наблюдали жители Италии на башнях церкви св. Эльма.

Сегодня учеными установлено, что причиной этого свечения является лавинная ионизация атомов воздуха электрическим полем - корона. Корону можно наблюдать на проводах линий электропередач высокого напряжения в виде светящихся импульсов. Эти импульсы создают высокочастотные колебания от единиц до сотен мегагерц, которые распространяются вдоль проводов ЛЭП и излучаются в окружающее пространство. Поэтому корона ЛЭП является вредным явлением, так как приводит к потерям передаваемой энергии и создает помехи для связи и телевидения.

Однако ученые "приручили" корону и используют ее для очистки дыма в промышленных трубах и планируют применить в качестве движителя космических кораблей и для диагностики состояния здоровья человека, исследуя особенности ауры (свечения) его тела. В приборах серии "Корона" используют современные компьютерные технологии, позволяющие диагностировать ауру человека с высоким процентом достоверности.

Линейная молния - это величественное и грозное явление природы, тайна которого не разгадана. Еще в XVIII в. Ломоносов и Рихман в Петербурге, Франклин в Филадельфии и Да-либар в Версале независимо друг от друга установили, что молния имеет электрическую природу. Эта концепция была сформулирована сразу после изобретения "лейденской банки" - простейшего конденсатора, с помощью которого демонстриро-

вали электрические искры. В 1753 г. Б. Франклин изобрел громоотвод (правильнее молниеотвод). Прошло почти 245 лет и несмотря на усилия ученых всех стран природа молнии остается необъяснимой.

А над земным шаром бушует ежедневно 40 - 50 тыс. гроз и 7-9 млн. раз сверкают молнии. Потенциальная энергия молний средней грозы приблизительно равна энергии атомной бомбы, сброшенной на Хиросиму. Ученые установили, что молния длится от десятков микросекунд до сотен миллисекунд, а ее ток может достигать 100 к А при напряжениях до 100 000 кВ и температуре около 30 000°С (это в 6 раз больше температуры на поверхности Солнца).

Молнии часто нарушают работу электронных систем всех видов и назначений (промышленных, военных, космических). Вредными последствиями молний могут быть смерть людей, огромные экономические и экологические потери.

Многолетние наблюдения и исследования ученых установили, что молнии чаще всего попадают в людей на открытой местности.

Объекты на земле и на море поражаются молнией избирательно, что обусловлено степенью электропроводности поверхности земли. Практически безопасны сухие и песчаные земли, участки земли, насыщенные нефтью, глубоководная часть моря. И наоборот, часто поражаются участки земли с выходом поверхностных вод или высокие одинокие деревья с мощной корневой системой, корабли на мелководье или стоящие на якорях.

Удивительно, что самолеты и ракеты чаще всего поражаются молнией в негрозовых облаках. Это говорит о том, что летящие объекты сами являются генераторами или катализаторами возникновения молний. По данным одной из европейских авиакомпаний, каждый эксплуатируемый самолет один раз в год так повреждается молнией, что требует серьезного ремонта на земле. А некоторые поражения самолетов оканчиваются трагически для сотен пассажиров.

Молниеотводы (громоотводы) не обеспечивают стопроцентную защиту сооружений и электрических сетей от поражения молнией. Так было установлено, что хорошо заземленная и оборудованная молниеотводом Останкинская башня поражается молнией по боковой поверхности так же часто, как и другие, незащищенные молниеотводами объекты.

Рассмотрим физические процессы возникновения нисходящей (от облака к земле) линейной молнии.

Источником образования грозового облака являются испарения водяного пара. Грозовое облако отличается от других своими размерами: высота 8-12 км, длина - около 5 км. При этом вершина грозового облака всегда находится в области отрицательных температур. Поэтому на высотах ниже 3—4 км в облаке преобладают капли воды, до 8 км облако состоит из капель воды и льдинок, а еще выше - только из льдинок. Возникновение электрических зарядов в облаке происходит под воздействием различных факторов. М.В. Ломоносов писал, что электризация облаков происходит при ".- трении мерзлых паров о воздух", а Б. Франклин - за счет трения частиц воздуха о частицы морской соли. Не исключая этих способов, ученые считают, что облака электризуются за счет электризации разрушающихся капель воды в поле при ясной погоде; за счет разности температур при замерзании капель, а также в результате ионизации воздуха и капель воды летящими космическими частицами (лучами) высоких энергий, которые летят со скоростью, близкой к скорости света, и на 1 см2 поверхности Земли каждую секунду падает 2-3 частицы.

Рассмотрим подробнее, например, процесс замерзания капли воды, достигшей в облаке зоны отрицательных температур. Вначале корочка льда образуется на поверхности капли. Выделяющееся при этом тепло поддерживает внутри капли температуру около 0°С. Имеющиеся в капле положительные ионы под действием разности температур перемещаются к поверхностному слою и заряжают его положительно. А более тяжелая не-замерзшая "сердцевина" капли остается заряженной отрицательно. При дальнейшем замерзании капли лопается ранее замерзший поверхностный слой и его положительно заряженные легкие осколки уносятся потоками воздуха в верхние слои облака. Поэтому вершина облака заряжается положительно, а нижняя его часть — отрицательно.

Однако имеют место обратные случаи, когда облако электризуется с накоплением положительных зарядов в нижней части, а отрицательных - в верхней. Когда грозовое облако сформировалось, начинает расти напряженность электрического поля как внутри облака, так и между облаком и землей. Измерениями установлено, что средняя напряженность электрического поля между облаком и землей составляет 0,1-0,2 кВ/см, а внутри облака между отдельными его частями 3 кВ/см и более. Эти поля и создают предпосылки для случайного возникновения процессов ионизации, при которой энергией поля "отрываются" от нейтральных атомов электроны.

В результате образуются два вида электрических зарядов: положительно заряженные ионы молекулы воды и свободные электроны, которые этим же полем могут разгоняться до больших скоростей. Быстрые электроны при дальнейших столкновениях с другими молекулами воды вновь увеличивают количество электрических зарядов. Безусловно, происходит и обратный процесс - рекомбинация, при которой свободный электрон "присоединяется" к иону и нейтрализует его. При этом излучается квант света, энергией которого может вновь ионизироваться другая нейтральная молекула (атом).

Если количество свободных электронов начинает расти быстрее, чем количество рекомбинировавших, то это означает, что началась лавинная ионизация. Чаще всего она начинается при определенных (сравнительно больших) напряженностях электрического поля или под воздействием космических частиц больших энергий. Не исключено одновременное воздействие поля и космических частиц на процесс возникновения и развития молнии.

При лавинной ионизации части облака из ионов и электронов образуется объемный заряд, способный к самораспределению по направлению электрического поля. Такой объемный заряд называют стримером.

На рис. 1, а показана схема ионизации, а на рис. 1,6 — стример. Поле Е между катодом К и анодом А разгоняет электроны, "выходящие" из К. Электроны ионизируют атомы нейтральных молекул воздушного промежутка, а поле определяет направление движения носителей заряда. Электроны движутся значительно быстрее, так как они свободные носители, а ионы движутся очень медленно, так как они являются молекулами воздуха. "Летящие" перед стримером электроны способны в 4-10 раз больше ионизировать атомов, чем ионы в "хвосте" стримера. В этом случае говорят, что стример "прорастает". Средняя скорость роста стримера между облаком и землей составляет 108-109 см/с (1000-10 000 км/с).

Если стример достигает второго электрода поля, то возникает искра. Если же стример возникает, но по различным причинам его рост в электрическом поле ограничивается областью одного электрода, то образуется корона - слабое, мерцающее голубое свечение, которое и названо огнями святого Эльма. Огни святого Эльма не покидают предметы (электроды), на которых они возникают.

В длинных воздушных промежутках, таких как облако -земля, может возникать особый вид разряда - лидерный. Он появляется из части стримера, если за счет вторичной ионизации плюс фотоионизации эта часть стримера окажется более насыщенной зарядами и теплом. На рис. 1, в показаны отрицательные стример и лидер. Лидер, при сравнительно небольших напряженностях электрического поля (1-2 кВ/см), может преодолевать значительные расстояния. Причем установлено, что лидер "прорастает" ступенчато (с паузами). Паузы необходимы для восстановления требуемой плотности электрических зарядов в его "головке". Затем движение (рост) лидера начинается вновь. Скорость "прорастания" лидера примерно равна скорости роста стримера. Направление движения прорастающего лидера нестабильно и зависит от неоднородности электрического поля и от структуры воздушных масс.

Радиус стримерной зоны вокруг головки лидера составляет десятки метров. Поэтому, пока расстояние до земли превышает 150 м, продвижение лидера не зависит от объектов на земле. При расстояниях меньше 150 м навстречу лидеру с земных объектов могут развиваться вторичные (встречные) лидеры.

[СЦБот]

Эта тема была перенесена из раздела Журнал "Автоматика, связь, информатика".

Перенес: Admin