Изучение атмосферного электричества и грозовых разрядов занимало умы исследователей глубокой древности. Проблема защиты сооружений от уда­ров молнии волнует ученых различных специальностей и в наши дни.

Общее число гроз на земном шаре достигает 16 миллионов в год, то есть ежедневно происходит 44 тысячи гроз. В среднем во время грозы сверкает 200 молний. Иными словами, 100 гран­диозных электрических разрядов ежесе­кундно возникают между облаками или облаком и землей.

Еще известным американским ученым Франклином был предложен способ за­щиты от ударов молнии с помощью изобретенного им «громоотвода». В дей­ствительности это сооружение отводит не гром — безобидный спутник молнии, а самую молнию, и потому правильнее называть его молниеотводом.

Необходимость надежной грозовой защиты потребовала поставить широкие исследования атмосферного электриче­ства. Ведущую роль в этом деле сы­грали наши ученые как по размаху работ, так и по полученным результатам.

Мы теперь знаем, что причиной об­разования, молний —- электрическая искра огромной длины (не редкость молнии длиной в 1 —5 километров) Громадная разность потенциалов, возни­кающая между облаками или облаком и землей. Первоначальная электризация водяных капелек в облаке может про­исходить от различных причин, напри­мер при раздроблении капель порыва­ми-ветра. При этом обычно мелкие брызги оказываются заряженными от­рицательно, а крупные остатки капель-положительно. Различная скорость па­лення мелких н крупных капель приво­дит к разделению зарядов в туче, в результате потенциал тучи быстро воз­растает, достигая очень больших вели­чин. Вследствие электростатической индукции на земле под облаком появ­ляются заряды противоположного зна­ка и между облаком и землёй обра­зуется электрическое поле очень боль­шой напряженности.

Прн достижении некоторой так на­зываемой критической напряженности наступает разряд, начинающийся обыч­но в верхних, более разряженных слоях воздуха. Под действием электрического поля имеющиеся в воздухе электроны разгоняются и, сталкиваясь с нейтраль­ными атомами, разбивают их на элек­троны и ионы. Одна пара атомов по­сле расщепления порождает четыре новые частицы, из которых две пред­ставляют собой электроны. Последние, двигаясь в поле совместно с образо­вавшими их двумя электронами, поро­дят четыре новых электрона и так да­лее. Таким путем происходит начальная стадия разряда, который устремляется со скоростью около 100 километров в секунду к земле (или к соседнему об­лаку). Внешне эта стадия характери­зуется слабым свечением и напоминает ручеек, с трудом прокладывающий се­бе извилистый путь в атмосфере, как бы огибая невидимые препятствия, иногда разветвляясь на несколько струек. Этот бледный разряд, пробе­гающий расстояние между облаком и землёй за сотые доли секунды, назы­вается лидером.

Как только лидер завершит свой путь, по его следу, насыщенному иона­ми и’ следовательно, хорошо проводя­щему электричество, начинается сильный и быстрый разряд, но уже в обратном направлении. Скорость этого разряда достигает десятков тысяч километров в секунду. Ток в канале молнии за очень короткий срок возрастает до десятков и даже сотен тысяч ампер. Извилистый путь разряда начинает ярко светиться вследствие очень сильного нагревания воздуха. Эта вторая стадия разряда и представляет собой, собственно, мол­нию, способную произвести значитель­ное разрушение или пожар. Затем сила тока спадает, свечение ослабевает, и на этом заканчивается первый импульс молнии. Часто через несколько сотых долей секунды в облаке создаются усло­вия для повторного импульса, который развивается в том же воздушном кана­ле, по какому прошел первый импульс.

Таких отдельных импульсов может быть до 50, а общее время грозового разряда иногда достигает 1,5 секунды. При этом каждый импульс молнии состоит из лидера и главной фазы разря­да. Простым глазом невозможно раз­личить отдельные импульсы молнии. Мы воспринимаем их как одну молнию, иногда разветвленную на несколько по­лос, если пути отдельных импульсов не совпадают. Применяя же фотографиче­ские аппараты с очень быстро движу­щейся пленкой, удается заснять и про­анализировать протекание всего процес­са во времени.

Тождественность природы молнии и электрической искры, получаемой ис­кусственно, дает возможность исследо­вать разряды в лабораторных условиях. Однако очень незначительная длина искры по сравнению с молнией долго мешала уловить детали процесса, в частности, обнаружить в искре движе­ние лидера. Только после того, как ав­тором был найден способ замедления искрового разряда путем включения в цепь импульсного генератора большого омического сопротивления, удалось про­следить и сфотографировать весь ход развития искры. Эти исследования рас­крыли много замечательных явлений в образовании электрических разрядов, происходящих в виде искр или молний. Но лабораторные опыты не могут все же полностью заменить широко постав­ленное непосредственное изучение про­явлений атмосферного электричества.

Для изучения грозовых разрядов, длящихся очень короткое время, возни­кающих в неопределенном месте и не­ожиданно, нужны, очевидно, особые, чрезвычайно быстро действующие и всегда находящиеся наготове приборы.

Кроме специальных фотоаппаратов, для регистрации напряженности полей и изменений силы тока в канале молнии применяются электронно-лучевые осцил­лографы. Электронный луч способен реагировать на самые кратковременные импульсы, поэтому с помощью осцилло­графов очень удобно производить реги­страцию разрядов.

Очень широкое применение для изу­чения грозовых разрядов нашел простой приборчик — ферромагнитный регистра­тор, представляющий собой цилиндрик, спрессованный из изолятора и металли­ческой пыли. Если вблизи такого ци­линдра пройдет молния, он намагни­тится в магнитном поле, образованном молнией. По величине этого намагничи­вания можно судить о максимальной силе тока молнии.

С помощью таких регистраторов со­ветские ученые предприняли настоящую охоту-за молниями. В разных частях страны было установлено свыше 120 000 регистрирующих приборов. Они распо­лагались на горах и равнинах, в лесах и степях, инженеры-альпинисты подня­ли регистраторы на вершины Кавказ­ского хребта. В окрестностях Москвы был сооружен особый летательный аппарат, улавливающий молнии, кото­рые затем регистрировались и измерялись в специальной лаборатории. Вся эта большая работа позволила получить очень «важные для народного хозяйства нашей страны результаты и рекомендо­вать эффективные методы грозозащиты.

Теория, развитая автором, и иссле­дования, проведенные его сотрудника­ми, показали, что молнии как бы пред­почитают одни участки другим. Плохо проводящие электричество граниты, из­вестняки, сухой песок реже подвергают­ся ударам молнии, и, наоборот, даже рас­положенные под землей металлические руды или пронизанные подземными ручьями слои как бы притягивают к се­бе разряды. Там, где почва обладает плохой электропроводностью, токи мол­нии не достигают большой силы; по­этому в горах, сложенных в основном из гранитов и базальтов, несмотря на очень частые грозы, защита от них до­стигается легче, чем, скажем, в Мос­ковской или Ленинградской областях.

Разработанная теория избирательной поражаемости нашла применение при решении вопросов грозозащиты. Так, например, было показано, что вероятность воспламенения нефтяного озера молнией весьма мала (один раз в не­сколько тысяч лет). Непроводящая нефть не поражается молниями, кото­рая «предпочитает» в этом случае бе­рега озера.

Для защиты сооружений от молний применяются металлические проводни­ки, расположенные должным образом и соединенные с хорошо проводящими слоями почвы. Проводники эти укреп­ляются на вертикальных мачтах или на­тягиваются между ними в виде антенны.

При сооружении громоотводов важно обеспечить хорошую проводимость его и надежное соединение с землей.

Плохо заземленный громоотвод с тон­ким проводом, неспособным выдержать сильный ток молнии, может принять на себя молнию, но не защитит от нее.

Для защиты особенно ответственных сооружений, например складов взрыв­чатых веществ и т, п., если не пред­ставляется возможным устройство их под землей, применяется способ «клетки Фарадея». Как известно, статические электрические заряды располагаются на поверхности проводника. Поэтому все помещение склада покрывается сверху проволочной сеткой или над ним натя­гиваются заземленные провода, а во­круг устраивается земляной вал и уста­навливаются мачтовые молниеотводы.

Необходимая высота грозозащитных мачт обычно определяется с помощью моделей, подвергаемых действию искус­ственных искр. Так же можно опреде­лить и зону защитного действия данно­го молниеотвода, то есть пространство, в которое мало вероятно попадание молнии. Эти исследования в большин­стве случаев оправдываются на прак­тике, хотя работы над модельными установками еще не закончены.

Для защиты от грозовых разрядов линий электропередач применяются за­земленные тросы, расположенные над проводами. Для надежной защиты эти провода должны быть хорошо заземле­ны на каждой мачте и подвешены, до­статочно высоко над линией. Если же молния прорвется сквозь защиту и по­разит самые провода электропередачи, начинают действовать специальные ап­параты, называемые разрядниками. На­значение их заключается в том, чтобы открыть путь току к земле и за­тем закрыть его, как только разряд окончится. Это достигается разными способами. В линиях низкого напряже­ния устанавливаются различной кон­струкции искровые промежутки, для ли­ний высокого напряжения применяются особые разрядники. Одним из наиболее распространенных видов линейных раз­рядников является в настоящее время фибровая трубка, устанавливаемая меж­ду защищаемым проводом и землей и отделенная от линии искровым проме­жутком. При действии напряжения, вызванного разрядом молнии, проме­жуток пробивается, через трубку про­ходит ток, под влиянием которого фиб­ра разогревается и образует газы. Газы, бурно вырываясь через отверстие, задувают дугу и таким образом отсо­единяют провод от заземления.

Существует также ряд способов за­щиты от грозы линий связи, из кото­рых самый надежный —это устрой­ство линий в виде кабеля, закопанно­го в землю.

Похожие статьи:

1. Бесконтактная система зажигания с датчиком Холла
2. NASA получило новые данные о пути астероида Апофис к Земле
3. Мигрирующие бактерии
4. ОЗОН В АТМОСФЕРЕ ЗЕМЛИ. ОТКРЫТИЕ ОЗОНА
5. Луна изменила направление вращения оси Земли