Метеорологические условия образования грозовых облаков
Для возникновения грозы необходимы, во-первых, сильные восходящие потоки воздуха и, во-вторых, требуемая влажность воздуха в пределах грозовой зоны.
Восходящие потоки возникают в результате нагрева прилегающих к поверхности земли слоев воздуха и термически обусловленного теплообмена этих слоев с охлажденным воздухом, находящимся на большой высоте. Горизонтальные потоки воздуха на неровной поверхности также могут вызвать восходящие потоки на склонах. Наконец, прохождение масс холодного воздуха через слои нагретого воздуха вызывает теплые восходящие потоки (образование фронтальной грозы).
В восходящем потоке воздух охлаждается, и на определенной высоте его температура достигает значения, при котором образуется насыщенный водяной пар. При дальнейшем подъеме происходит конденсация и образуется собственно облако. Энергия конденсации замедляет дальнейшее охлаждение поднимающегося воздуха, поэтому воздух в восходящем потоке становится легче окружающего воздуха, что стимулирует его дальнейшее движение вверх. Это неустойчивое состояние воздуха заканчивается обычно на высоте 6—8 км образованием мощных кучевых облаков, в верхней части которых и зарождается типичное грозовое облако.
В процессе возникновения грозового облака различают три характерные стадии: зарождение, зрелую стадию и распад (рис. 7.49).
Зарождение облака (рис. 7.49,а) внешне различимо как образование кучевых облаков. Потоки воздуха движутся снизу вверх и от краев к центру облака. Такое состояние длится 10— 15 мин.
В зрелой стадии облака (рис. 7.49,6) возникают осадки, которые сначала удерживаются восходящим потоком. Вблизи границы с температурой 0 °C поддерживающей силы уже недостаточно, и выпадают осадки, при этом образуются также холодные потоки воздуха, достигающие земли и вызывающие мощные порывы ветра. Длительность этой стадии составляет 15—30 мин.
Если при интенсивных осадках образование восходящих и нисходящих потоков заканчивается, то наступает стадия распада грозового облака (рис. 7.49,в). Восходящие потоки воздуха прекращаются полностью, и содержащиеся в облаке осадки постепенно выпадают. Этот процесс длится около 30 мин.
В целом грозовая деятельность определяется протеканием описанных процессов в отдельных грозовых ячейках.
Электризация в грозовом облаке
Точный механизм разделения зарядов в грозовом облаке все еще остается во многом неясным. Однако наблюдения показывают, что разделение зарядов совпадает с замерзанием капель воды в облаке. За образование больших зон разделения зарядов ответственны восходящие потоки воздуха и силы тяжести. Существует множество теорий, описывающих этот процесс, однако все они не являются завершенными.
В качестве примера рассмотрим следующую теорию. Содержащиеся в облаке капли под влиянием электрического поля земли представляют собой маленькие диполи. Так как поле направлено к земле, то на нижних частях капель накапливается положительный, а на верхних — отрицательный заряд. При падении тяжелых капель положительные ионы воздуха отталкиваются, а отрицательные ионы захватываются такими каплями, и поэтому капли оказываются заряженными отрицательно. Мелкие капли, увлекаемые восходящим потоком, наоборот, заряжаются положительно. В результате нижняя часть облака оказывается заряженной отрицательно, а верхняя — положительно. Поэтому грозовое облако можно представить в виде диполя с зарядом, в среднем равным примерно 25 Кл. Поскольку нижняя часть облака заряжена отрицательно, то подавляющее число молний переносят с облака на землю отрицательный заряд.
Измерения показали, что центр положительного заряда грозового облака находится на высоте 10—12 км, где температура составляет от 0 до —20°С. Центр положительного заряда перемещается еще выше при усилении грозы, в то время как центр отрицательного заряда постоянно находится на высоте примерно 5 км. На нижней кромке облака иногда сохраняется также узкая область с большим положительным зарядом.
Процесс грозового разряда
Для возникновения грозового разряда необходимо, чтобы напряженность поля в некоторой области достигла нескольких киловольт на один сантиметр. Если такая напряженность получается внутри облака, то возникает внутриоблачный разрядили разряд на землю (нисходящая молния). Если напряженность поля сильно искажается у поверхности земли, например, высокими башнями, то возникает молния, развивающаяся от земли к облаку (восходящая молния).
Так как молния может начаться у положительно или отрицательно заряженных центров грозовых ячеек или высоких предметов на поверхности земли, то возможны четыре типа молний, показанных на рис. 7.50. Если разветвления канала молнии направлены к земле, то имеет место разряд с облака на землю; обратное направление разветвлений свидетельствует о восходящей молнии. На равнинной местности чаще наблюдаются нисходящие молнии.
Рис. 7.50. Типы молний:
а — отрицательная нисходящая молния; б — положительная нисходящая молния; в — восходящая молния к отрицательно заряженному облаку; г — восходящая молния к положительно заряженному облаку
7.8.3.1. Нисходящие молнии.
Рис. 7.51. Статическая картина молнии (а) и ее временная развертка (б):
1 — ступени развития молнии; 2 — главный разряд; 3 — встречный восходящий лидер
P и c. 7.52. Осциллограмма тока грозового разряда с отрицательно заряженного облака [7.72]. До момента времени t=300 мкс зафиксировано 8 импульсов. После этого момента приведена осциллограмма постоянной составляющей тока
Механизм грозового разряда можно пояснить на примере наиболее часто встречающейся нисходящей молнии. Из центра отрицательного заряда грозовой ячейки по направлению к земле начинает ступенчато прорастать канал с тонким высокопроводящим центром. Этот канал, напоминающий лидер, имеет среднюю скорость развития около 300 км/с. При приближении канала к земле напряженность поля повышается настолько, что с поверхности земли возникает такой же канал длиной примерно 10 м, встречающийся с каналом, развивающимся с облака. После этого наступает стадия главного разряда в виде высокоионизированного ярко светящегося канала, удлиняющегося в обратном направлении со скоростью примерно 50 000 км/с.
Через этот канал отводится заряд из канала лидера и окружающего его чехла на землю в течение 10—100 мкс. Во время этой стадии через пораженный объект проходит очень большой по амплитуде кратковременный ток. На рис. 7.51 показано развитие грозового разряда во времени.
Заряд и длительность отрицательной молнии обычно меньше, чем положительной. Особенностью нисходящих отрицательных молний являются многократные разряды (рис. 7.52). Они возникают потому, что спустя 10—100 мс по ионизированному пути первого разряда вновь развивается лидер по направлению к земле со значительно большей скоростью, равной примерно одной сотой доли скорости света, без заметных ступеней.
В результате через объект проходит новый импульс тока. Зарегистрировано в одной молнии до 40 подобных разрядов, следующих друг за другом. В отдельных случаях при отрицательных молниях после спада тока главного разряда наблюдается длительный непрерывный ток, свидетельствующий об отводе части заряда облака на землю через канал разряда. Изменение тока положительной молнии во времени показано на рис. 7.53.
Положительные молнии являются однократными, однако в большинстве случаев в течение разряда за 10—100 мс переносится значительный заряд.
Р и с. 7.54. Распределения вероятностей Р максимальных значений токов
7.8.3.2. Восходящие молнии.
При развитии молнии с облака на землю возникает заряженный лидерный канал с чехлом, в котором быстро протекает главный разряд. При восходящей молнии лидер развивается с высокого объекта к облаку и в течение десятых долей секунды через объект протекает сравнительно небольшой слабо меняющийся ток, равный нескольким сотням ампер. Развивающийся с земли лидер приводит к появлению встречного лидера с облака. Наблюдались также случаи, когда по пути, проложенном восходящим лидером, затем развивались повторные нисходящие разряды. Преимущественно восходящие молнии развиваются с очень высоких зданий и башен.
7.8.4. Опасные параметры тока молнии
Грозовой разряд способен вызвать разнообразные повреждения объектов. Прежде всего пытаются устранить прямое поражение объекта молнией или обезопасить объект с помощью молниеотводов, установленных на зданиях, линиях электропередачи и других устройствах. При разработке молниезащиты имеют важное значение параметры тока молнии, приведенные на рис. 7.54.
Индуктированные напряжения в самом молниеотводе или в близко расположенных проводах электрической системы зависят от параметра
В контурах электротехнического оборудования, антеннах и электрических схемах значение индуктированных напряжений может быть очень большим.
Заряд, переносимый током молнии,
ответствен за оплавление объекта дугой разряда. Мощность, развиваемая в опорной точке дуги, пропорциональна мгновенному значению тока, так как в приэлектродной зоне имеется приблизительно постоянное, не зависящее от тока падение напряжения. Поэтому энергия, затраченная на плавление, зависит от протекшего заряда.
Интеграл
определяет нагрев металлических проводов и импульс силы между ними в пораженном объекте.
Максимальное значение тока Iм характеризует падение напряжения на сопротивлении заземления объекта.
Данные по параметрам токов молнии, приведенные на рис. 7.54, получены в результате многочисленных измерений профессором Бергером на горе Монте Сан Сальватор в Швейцарии [7.73]. Эти данные, как указывается в [7.74], справедливы и для других областей с иными климатическими условиями (на побережье морей) и ландшафтом (на равнине).
