Молнии

 

5. Молнии Кататумбо

Молнии Кататумбо (исп. Relámpago del Catatumbo) — природное явление, возникающее над местом впадения реки Кататумбо в озеро Маракайбо (Южная Америка). Феномен выражается в возникновении свечения на высоте около пяти километров без сопровождающих акустических эффектов. Молнии появляются ночью (140—160 раз в год) и разряды длятся около 10 часов. В сумме получается около 1,2 миллиона разрядов в год [1].

Молнии видно с расстояния до 400 километров. Их даже использовали для навигации, из-за чего явление  также известно под названием  «Маяк Маракайбо»

Считается, что молнии Кататумбо являются крупнейшим одиночным генератором тропосферного озона на Земле. Ветры, приходящие со стороны Анд, вызывают грозы. Метан, которым богата атмосфера этих заболоченных мест, поднимается к облакам, подпитывая разряды молний[4].

Рисунок 3 - Молнии Кататумбо

 

Согласно ранним оценкам, частота ударов молний на Земле составляет 100 раз в секунду. По современным  данным, полученным с помощью спутников, которые могут обнаруживать молнии в местах, где не ведётся наземное наблюдение, эта частота составляет в среднем 44 ± 5 раз в секунду, что  соответствует примерно 1,4 миллиарда  молний в год. 75 % этих молний ударяет  между облаками или внутри облаков, а 25 % — в землю.

Самые мощные молнии вызывают рождение фульгуритов. Фульгури́т — (от лат. fulgur — удар молнии + греч. -eidēs — подобный) — спёкшийся от удара молнии SiO2 (песок, кварц, кремнезём).

 

2.1 Ударная волна от молнии

Разряд молнии является электрическим  взрывом и в некоторых аспектах похож на детонацию взрывчатого  вещества. Он вызывает появление ударной  волны, опасной в непосредственной близости.

Ударная волна от достаточно мощного грозового разряда на расстояниях до нескольких метров может  наносить разрушения, ломать деревья, травмировать и контузить людей  даже без непосредственного поражения  электрическим током. Например, при  скорости нарастания тока 30 тысяч ампер  за 0,1 миллисекунду и диаметре канала 10 см могут наблюдаться следующие давления ударной волны:

- на расстоянии от центра 5 см (граница светящегося канала  молнии) — 0,93 МПа,

- на расстоянии 0,5 м —  0,025 МПа (разрушение непрочных  строительных конструкций и травмы  человека),

- на расстоянии 5 м —  0,002 МПа (выбивание стёкол и  временное оглушение человека).

На бо́льших расстояниях ударная волна вырождается в звуковую волну — гром.

 

2. Люди и молния

Молнии — серьёзная  угроза для жизни людей. Поражение  человека или животного молнией  часто происходит на открытых пространствах, так как электрический ток  идёт по кратчайшему пути «грозовое  облако-земля». Часто молния попадает в деревья и трансформаторные установки на железной дороге, вызывая  их возгорание. Поражение обычной  линейной молнией внутри здания невозможно, однако бытует мнение, что так называемая шаровая молния может проникать  через щели и открытые окна. Обычный  грозовой разряд опасен для телевизионных  и радиоантенн, расположенных на крышах высотных зданий, а также  для сетевого оборудования.

В организме пострадавших отмечаются такие же патологические изменения, как при поражении  электротоком. Жертва теряет сознание, падает, могут отмечаться судороги, часто останавливается дыхание  и сердцебиение. На теле обычно можно  обнаружить «метки тока», места входа  и выхода электричества. В случае смертельного исхода причиной прекращения  основных жизненных функций является внезапная остановка дыхания  и сердцебиения, от прямого действия молнии на дыхательный и сосудодвигательный центры продолговатого мозга. На коже часто остаются так называемые знаки  молнии, древовидные светло-розовые  или красные полосы, исчезающие при  надавливании пальцами (сохраняются  в течение 1 — 2 суток после смерти). Они — результат расширения капилляров в зоне контакта молнии с телом.

Пострадавший от удара  молнией нуждается в госпитализации, так как подвержен риску расстройств  электрической активности сердца. До приезда квалифицированного медика ему может быть оказана первая помощь. В случае остановки дыхания  показано проведение реанимации, в  более легких случаях - помощь зависит  от состояния и симптомов.

 

2.3 Молния и электроустановки

Разряды молний представляют большую опасность для электрического и электронного оборудования. При  прямом попадании молнии в провода  в линии возникает перенапряжение, вызывающее разрушение изоляции электрооборудования, а большие токи обуславливают  термические повреждения проводников. В связи с этим пожары на сложном  технологическом оборудовании могут  возникать не мгновенно, а в период до восьми часов после попадания  молнии. Для защиты от грозовых перенапряжений электрические подстанции и распределительные  сети оборудуются различными видами защитного оборудования такими как  разрядники, нелинейные ограничители перенапряжения, длинноискровые разрядники. Для защиты от прямого попадания молнии используются молниеотводы и грозозащитные тросы. Для электронных устройств представляет опасность также и электромагнитный импульс, создаваемый молнией.

 

2.4 Молния и авиация

Атмосферное электричество  вообще и молнии в частности представляют значительную угрозу для авиации. Попадание  молнии в летательный аппарат  вызывает растекание тока большой величины по его конструкционным элементам, что может вызвать их разрушение, пожар в топливных баках, отказы оборудования, гибель людей. Для снижения риска металлические элементы наружной обшивки летательных аппаратов  тщательно электрически соединяются  друг с другом, а неметаллические  элементы металлизируются. Таким образом, обеспечивается низкое электрическое  сопротивление корпуса. Для стекания тока молнии и другого атмосферного электричества с корпуса летательные  аппараты оборудуются разрядниками.

Ввиду того, что электрическая  емкость самолёта, находящегося в  воздухе невелика, разряд «облако-самолёт» обладает существенно меньшей энергией по сравнению с разрядом «облако-земля». Наиболее опасна молния для низколетящего  самолёта или вертолёта, так как  в этом случае летательный аппарат  может сыграть роль проводника тока молнии из облака в землю. Известно, что самолёты на больших высотах  сравнительно часто поражаются молнией  и тем не менее, случаи катастроф  по этой причине единичны. В то же время известно очень много случаев  поражения самолётов молнией на взлете и посадке, а также на стоянке, которые закончились катастрофами или уничтожением летательного аппарата.

 

2.5 Молния и корабли

Молния также представляет очень большую угрозу для надводных  кораблей в виду того, что последние  приподняты над поверхностью моря и  имеют много острых элементов (мачты, антенны), являющихся концентраторами  напряженности электрического поля. Во времена деревянных парусников, обладающих высоким удельным сопротивлением корпуса, удар молнии практически всегда заканчивался для корабля трагически: корабль сгорал или разрушался, от поражения электрическим током  гибли люди. Клёпаные стальные суда также были уязвимы для молнии. Высокое удельное сопротивление  заклёпочных швов вызывало значительное локальное тепловыделение, что приводило  к возникновению электрической  дуги, пожарам, разрушению заклёпок и  появлению водотечности корпуса.

Сварной корпус современных  судов обладает низким удельным сопротивлением и обеспечивает безопасное растекание тока молнии. Выступающие элементы надстройки современных судов надежно  электрически соединяются с корпусом и также обеспечивают безопасное растекание тока молнии.

 

 

III Молнезащита

Молниезащи́та (громозащи́та, грозозащи́та) — это комплекс технических решений и специальных приспособлений для обеспечения безопасности здания, а также имущества и людей, находящихся в нем. На земном шаре ежегодно происходит до 16-и миллионов гроз, то есть около 44 тысяч за день. Опасность для зданий (сооружений) в результате прямого удара молнии может привести к:

-повреждению здания (сооружения) и его частей,

-отказу находящихся внутри  электрических и электронных  частей,

-гибели и травмированию живых существ, находящихся непосредственно в здании (сооружении) или вблизи него.

Молниезащита зданий разделяется на внешнюю и внутреннюю.

А) Внешняя система молнезащиты.

 Такая  молниезащита представляет собой систему, обеспечивающую перехват молнии и отвод её в землю, тем самым, защищая здание (сооружение) от повреждения и пожара. В момент прямого удара молнии в строительный объект правильно спроектированное и сооруженное молниезащитное устройство должно принять на себя ток молнии и отвести его по токоотводам в систему заземления, где энергия разряда должна безопасно рассеяться. Прохождение тока молнии должно произойти без ущерба для защищаемого объекта и быть безопасным для людей, находящихся как внутри, так и снаружи этого объекта.

Существуют следующие  виды внешней молниезащиты:

• молниеприемная сеть;
• натянутый молниеприемный трос;
• молниеприемный стержень.

Помимо вышеупомянутых традиционных решений (приведенных как в международном  стандарте МЭК 62305.4, так и в  российских нормативных документах РД 34.21.122-87 и CO 153—343.21.122-2003) с середины 2000х годов получает распространение  молниезащита с системой ранней стримерной эмиссии, также именуемая активной молниезащитой. Применение данной системы нормируется несколькими стандартами, в первую очередь французским NFC 17-102.

В общем случае внешняя  молниезащита состоит из следующих элементов:

Молниеотво́д (молниеприёмник, громоотвод) — устройство, перехватывающее разряд молнии. Выполняется из металла (нержавеющая либо оцинкованная сталь, алюминий, медь)

Токоотво́ды (спуски) — часть молниеотвода, предназначенная для отвода тока молнии от молниеприемника к заземлителю.

Заземли́тель — проводящая часть или совокупность соединенных между собой проводящих частей, находящихся в электрическом контакте с землей непосредственно или через проводящую среду.

Б) Внутренняя система молниезащиты

Внутренняя молниезащита представляет собой совокупность устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП). Назначение УЗИП защитить электрическое и электронное оборудование от перенапряжений в сети, вызванных резистивными и индуктивными связями, возникающих под воздействием тока молнии. Общепринято выделяют перенапряжения, вызванные прямыми и непрямыми ударами молнии. Первые происходят в случае попадания молнии в здание (сооружение) или в подведенные к зданию (сооружению) линии коммуникаций (линии электропередачи, коммуникационные линии). Вторые — вследствие ударов вблизи здания (сооружения) или удара молнии вблизи линий коммуникаций. В зависимости от типа попадания различаются и параметры перенапряжений.

Перенапряжения, вызванные  прямым ударом, именуются Тип 1 и  характеризуются формой волны 10/350 мкс. Они наиболее опасны, так как несут  большую запасенную энергию.

Перенапряжения, вызванные  непрямым ударом, именуются Тип 2 и  характеризуются формой волны 8/20 мкс. Они менее опасны: запасенная энергия  примерно в семнадцать раз меньше, чем у Тип 1.

Соответствующим образом классифицируются и УЗИП[1].

 

Рисунок 4 – Молнезащита линии электропередач

 

 

Молния опасна тогда, когда  вслед за вспышкой следует раскат грома. В этом случае срочно примите  меры предосторожности.

• Если Вы находитесь в сельской местности: закройте окна, двери, дымоходы и вентиляционные отверстия. Не растапливайте печь, поскольку высокотемпературные газы, выходящие из печной трубы, имеют низкое сопротивление. Не разговаривайте по телефону: молния иногда попадает в натянутые между столбами провода.
• Во время ударов молнии не подходите близко к электропроводке, молниеотводу, водостокам с крыш, антенне, не стойте рядом с окном, по возможности выключите телевизор, радио и другие электробытовые приборы.
• Если Вы находитесь в лесу, то укройтесь на низкорослом участке леса. Не укрывайтесь вблизи высоких деревьев, особенно сосен, дубов и тополей.
• Не находитесь в водоеме или на его берегу. Отойдите от берега, спуститесь с возвышенного места в низину. В степи, поле или при отсутствии укрытия (здания) не ложитесь на землю, подставляя электрическому току все свое тело, а сядьте на корточки в ложбине, овраге или другом естественном углублении, обхватив ноги руками.
• Если грозовой фронт настиг Вас во время занятий спортом, то немедленно прекратите их. Металлические предметы (мотоцикл, велосипед, ледоруб и т.д.) положите в сторону, отойдите от них на 20-30 м.
• Если гроза застала Вас в автомобиле, не покидайте его, при этом закройте окна и опустите антенну радиоприемника[2].

Заключение

2000 гроз, ежесекундно бушующих  над поверхностью нашей планеты,  несут не только разрушения. Оказывается,  половина необходимых для земной  флоры нитратов продуцируется  именно молниями. И озоновый слой, защищающий всю земную флору  и фауну (и нас как представителей  этой фауны) от губительного  ультрафиолета, - тоже продукт грозовых  разрядов. Если молнии так полезны  в планетарных масштабах и,  по сути, являются необходимым  условием существования жизни  на планете, то второе изобретение  Б. Франклина (аэростат с заземлением), позволяющее "плавно", без разрядов  молний, "разрядить" грозовую  тучу, оказывается ненужным и  даже вредным. Человечество и  так всегда будет благодарно  Франклину за изобретение громоотвода[3].