Накопление заряда в грозовом облаке происходит до тех пор, пока напряженность электрического поля в облаке не достигнет значения, достаточного для развития ионизационных процессов. Разряд начинается в лавинной форме, переходящей при дальнейшем повышении напряженности электрического поля в стримерную форму, представляющую собой последовательный ряд большого числа электронных лавин, сдвинутых одна по отношению к другой в пространстве и во времени (рис. 1.4)[1-4]. Образование большого числа лавин электронов перед головкой стримера происходит в результате фотоионизации газа излучением фотонов высокой энергии из зоны ионизации в головке стримера.
Такой механизм формирования стримеров обеспечивает две существенные отличительные особенности стримеров [2]:
скорость распространения стримеров (приблизительно 1,2 · 106 м/с) на порядок величин превышает скорость движения электронов в формирующих стримеры лавинах (приблизительно
1,5·105 м/с);
плотность заряженных частиц в стримере (положительных ионов и электронов) достигает 1013...1014 1/см3 , что чрезвычайно существенно для дальнейшего формирования искрового канала.
Необходимо отметить, что приведенные численные оценки параметров стримерного разряда соответствуют минимальной напряженности электрического поля, при которой обеспечивается возможность развития стримеров.
Рис 1.4. Схемы развития положительного (а) и отрицательного (б) стримеров
При увеличении напряженности поля сверх минимальной скорость развития стримеров увеличивается, как и концентрация заряженных частиц в них, вследствие увеличения средней скорости перемещения электронов и соответственно их энергии, накапливаемой на длине свободного пробега.
Дальнейшее увеличение напряженности электрического поля в заряженном центре облака вследствие продолжающегося накопления зарядов приводит к удлинению стримеров до тех пор, пока количество электронов в канале стримера не оказывается достаточным для разогревания части канала до такой высокой температуры, при которой начинается термическая ионизация газа (4000...6000 К). Разделение зарядов в высокоионизованной плазме (концентрация положительных ионов достигает 1016 1/см3 ) разогретого канала в поле заряда облака приводит к быстрому увеличению напряженности электрического поля на границе плазменного канала, что приводит в свою очередь к образованию новых стримеров. Продвижение новых электронов по первоначально разогретому каналу приводит к дальнейшему его разогреванию вплоть до 10...20 тыс. градусов и соответственно к росту концентрации заряженных частиц до 107...1018 1/см3 и выше. Последовательное развитие стримеров с окончания разогретой части канала приводит к ее удлинению и постепенному продвижению к области противоположного заряда в облаке или по направлению к земле, вызывая либо внутриоблачные разряды молнии (большинство), либо разряды молнии на землю (меньшая часть разрядов). Такое образование - плазменный канал со стримерами на конце - получило название лидер (от английского слова ведущий) [3-9]. Несмотря на тщательные наблюдения за процессом формирования искрового канала в работах [5-11] и попытки выяснить физическую природу явления, только в публикациях [3, 4, 9, 12] был предложен реальный механизм перехода стримерного коронного разряда в искровой (лидерный), который сегодня является общепризнанным и который излагается в настоящей книге.
Рис. 13. Схема развития положительного лидера (а) и стилизованная фоторазвертка развития положительного лидера (б):
— канал лидера. +++++ - положительный заряд стримеров; 1 - стримеры, 2 - канал лидера; 3 - искровой канал в фазе главного разряда
В зависимости от полярности заряженного центра облака различают положительные или отрицательные разряды молнии и соответственно положительные или отрицательные лидеры. При развитии положительного лидера все электроны продвигаются вдоль каналов стримеров, разогревая в наибольшей степени небольшую часть канала, примыкающую к плазменному каналу лидера. Поэтому достаточно 1...2 м длины стримеров, чтобы обеспечить необходимое для термической ионизации газа разогревание части канала стримера. А средняя напряженность электрического поля в канале положительного стримера Е, составляет около 500 кВ/м. В связи с этим количество последовательно развивающихся стримеров положительного лидера очень велико (рис. 1.5) и, соответственно, велика плотность остающегося после удаления из стримеров положительного объемного заряда вокруг канала лидера. При этом следует иметь в виду, что объемный заряд лидера не распределен равномерно в пространстве вокруг проводящего канала лидера, а сосредоточен в узких цилиндрических образованиях, оставшихся после прекращения перемещения электронов по стримерам. Естественно, что диаметр этих образований постепенно увеличивается под воздействием электрического поля избыточного заряда в этих образованиях.
Таким образом, можно определить положительный лидер как последовательный ряд большого числа стримеров, сдвинутых друг относительно друга в пространстве и во времени и образующих (в результате перемещения электронов) плазменный канал с высокой концентрацией заряженных частиц и относительно низкой продольной напряженностью электрического поля.
С учетом извилистости канала лидера его фактическая длина может быть на 30...40% больше максимальной высоты заряженного центра облака (ЗЦО), соответственно максимальная средняя линейная плотность объемного положительного заряда может достигнуть около 6·103 Кл/м, и полный объемный заряд составит приблизительно 80 Кл.
При развитии лидерного разряда из отрицательно заряженной области грозового облака электроны движутся от начальной части стримера (у разогретого плазменного канала) к его концу (в области относительно слабого поля). Накопление избыточного отрицательного заряда электронов в оконечной части стримера приводит к уменьшению напряженности электрического поля в канале стримера, к уменьшению скорости движения электронов и в конечном счете к их присоединению к нейтральным молекулам воздуха с образованием отрицательных ионов. Необходимо учитывать, что устранение электронов из части канала стримера, примыкающей к разогретому каналу лидера, приводит к освобождению положительного заряда ионов и, соответственно, к росту напряженности электрического поля в этой области, что в свою очередь приводит к переходу электронов в стример из плазменного канала лидера (рис. 1.6).
Поэтому одновременно разогревается значительная часть канала стримера, и через каждое сечение этой разогреваемой части проходит лишь часть электронов, образовавшихся в стримере (примерно 30% от общего количества электронов в стримере). И потому начальная длина стримеров отрицательной молнии значительно больше, чем положительной, и средняя напряженность электрического поля в отрицательном стримере ≈ 800 кВ/м.
Рис. 1.6. Схема развития отрицательного лидера:
- - канал лидера,--------------- отрицательные заряды стримеров
Рис. 1.7. Стилизованная схема развития отрицательного разряда молнии
Но при этом разогревается в одинаковой степени такая же часть длины канала стримера (примерно 30%). И пока происходит это перемещение электронов в стримерах ионизационные процессы прекращаются. Поэтому в отличие от непрерывно развивающегося положительного разряда молнии разряд молнии отрицательной полярности развивается явно выраженными ступенями (рис. 1.7): после периода яркого свечения, связанного с ионизационными процессами на конце очередного стримера, наступает пауза свечения, связанная с перемещением электронов по образовавшемуся стримеру и соответствующим разогреванием части стримера. При этом из-за перемещения электронов только на часть длины стримера скорость продвижения отрицательного лидера молнии больше скорости продвижения электронов вдоль стримеров и составляет около 1·106 м/с [4-8].
Рис. 1.10. Иллюстрация механизма ориентировки молнии на возвышающиеся над поверхностью земли предметы
При таком токе падение напряжения даже на волновом сопротивлении грозозащитных тросов (эквивалентное сопротивление в месте удара молнии в трос с учетом растекания тока в обе стороны от места удара составит примерно 150 Ом, см. далее) будет не более 225 кВ, что составляет ничтожную долю от потенциала окончания лидера в момент развития конечного стримера. Это означает, что вдоль плазменного канала лидера начинает распространяться электромагнитная волна, изменяющая его потенциал от десятков миллионов вольт до потенциала заземленного предмета.
Разряды молнии в значительно возвышающиеся над поверхностью земли проводящие предметы (как, например, опоры линий электропередачи, телевизионная башня и т.п.) происходят в результате искажения электрического поля лидера относительно земли этими предметами, точнее, наводимыми зарядом лидера молнии зарядами на этих объектах. И чем больше наводимый на возвышающемся предмете заряд, тем больше увеличивается напряженность поля развивающегося лидера молнии в направлении этого объекта, что определяет большую вероятность его поражения молнией. При наличии нескольких предметов разной высоты вероятность поражения молнией наиболее высокого предмета больше, так как наводимый на нем заряд больше и соответственно больше напряженность поля в направлении более высокого объекта (рис. 1.10).
При одинаковой высоте проводящих предметов на поверхности земли поражение того или другого предмета является результатом случайных процессов вблизи окончания лидера, определяющих преимущественное его отклонение в ту или иную сторону. Нередки случаи одновременного поражения двух или даже большего числа возвышающихся над поверхностью земли предметов и, соответственно, ветвления молнии. Увеличение поверхности возвышающегося предмета приводит к увеличению индуктируемого на нем заряда и соответственно - к увеличению вероятности его поражения молнией. Таким образом, избирательность поражения молнией наземных объектов в значительной степени определяется искажением электрического поля развивающегося лидера возвышающимися над поверхностью земли предметами, в том числе и объемными зарядами вокруг этих предметов, образующимися в результате их коронирования.
В итоге в процессе лидерной фазы развития разряда молнии заряд из облака перемещается из его заряженного центра (из ЗЦО) в цилиндрическую область вокруг плазменного канала лидера, располагаясь между ЗЦО и землей. При этом потенциал этого заряда относительно земли значительно уменьшается. Разность потенциалов заряда ЗЦО при его расположении в облаке и при расположении его вокруг плазменного канала лидера определяется потерями энергии в процессе перемещения заряда, определяемыми в основном потерями энергии электронов при их движении по плазменному каналу лидера и вдоль стримеров при их столкновениях с нейтральными молекулами воздуха в процессе продвижения лидера от ЗЦО к земле. Потери энергии в положительных стримерах определяются перемещением электронов по всей их длине при средней напряженности электрического поля стримера 500 кВ/м и равны произведению полного заряда лидера на пройденную электронами разность потенциалов [16-19].
