Механизм выбора точки удара каналом молнии

Все начинается с короны. Эта форма электрического разряда хорошо известна не только специалистам. Любители пиратских романов не раз читали о мерцающем свечении на верхушках мачт парусных кораблей в грозовой обстановке. Явление было названо огнями святого Эльма. Это и есть коронный разряд в электрическом поле грозового облака. По своим внешним проявлениям он мало чем отличается от короны на фазных проводах воздушных линиях электропередачи. Слабое свечение короны в городских условиях трудно различить даже ночью, но ее характерное потрескивание в плохую погоду (дождь, туман, мокрый снег) хорошо слышно и вызывает вполне чувствительные помехи в средневолновом радиодиапазоне.

В грозовой обстановке корона возникает не только от многоэтажных зданий и многометровых антенных башен. Коронировать могут ветки деревьев или кустарников и даже острые перья травы. Ток такой короны очень слаб. На рис. 1 показана динамика изменения коронного тока от стержневых электродов различной высоты. Самому высокому приписана высота Останкинской телебашни (540 м). Аналитически показано, что величина тока чувствительна к скорости роста электрического поля атмосферы Е0, поэтому для оценок сверху в компьютерный расчет введена достаточно высокая скорость восстановления Е0 в межмолниевую паузу – напряженность у земли вырастала по линейному закону до 20 кВ/м за 10 с и далее не менялась. В разобранном примере даже при максимально большой высоте объекта ток короны оказался слабым.

Динамика изменения тока короны от электродов различной высоты. Электрическое поле грозового облака линейно нарастает до 20 кВ/м за 10 с и далее не меняется

Его величина не превысила нескольких миллиампер. Тем не менее, у вершины заземленного сооружения накапливался объемный заряд, который выравнивает электрическое поле в приэлектродной области. Результат выравнивания можно видеть из расчетных данных рис. 2.

При столь слабом энерговкладе электрический разряд от вершины электрода не сопровождается ростом плазменного канала, а существует лишь в виде зоны ионизации очень ограниченного размера, протяженность которой сопоставима с радиусом коронирующей вершины. Причина в том, что формирование протяженного канала требует высокой проводимости плазмы в его объеме при характерных временах развития молнии, исчисляемых миллисекундами. Проводимость плазмы определяется электронами. Их время жизни в холодном воздухе по порядку величины лежит в пределах 10-7 с. Чтобы продлить существование электронов до миллисекундного диапазона, необходимо разогреть воздух до 5000-6000 К. Такое возможно, если коронный разряд перейдет в стримерную форму, которую отличает образование пучка протяженных плазменных ветвей, стартующих от единого стебля.

Энерговклад в стримерные ветви тоже невелик и они остаются почти столь же холодными, как и окружающий воздух, но в стебле суммарный ток многих ветвей может быть достаточным для требуемого разогрева. Это происходит, когда длина стримерных ветвей приближается к 1 м, а падение напряжения на них – примерно к 400 кВ. Именно в таком горячем стебле и рождается встречный лидер.

Таким образом, переход короны в стримерную форму является исключительно важным моментом формирования встречного разряда, в конечном итоге “притягивающего” молнию. Теоретически оценен и экспериментально подтвержден критерий перехода. Он осуществляется, когда ток короны превысит некоторое критическое значение

Если вершина объекта имеет радиус r0 ≈ 2 см и для возбуждения короны на ее поверхности напряженность электрического поля должна подняться до величины E(r0) = Ecor = 4×104 В/см, то при типичной подвижности коронных ионов μ ≈ 1,5 см2(В·с)-1 критический ток короны оценивается значением ~ 10 мА. Даже на вершине Останкинской башни корона слабее. Для объектов же ординарной высоты в электрическом поле грозового облака ток короны отличается от критического в десятки и сотни раз. Тем не менее, встречные лидеры многократно наблюдались в грозовых условиях от сооружений самой различной высоты. Установлено, что их рождение обусловлено усилением электрического поля в атмосфере электрическим зарядом, который транспортируется к земле каналом формирующейся молнии. Здесь важна не только (и не столько!) величина переносимого заряда, сколько та высокая скорость, с которой усиливается поле.

Расчетные данные на рис. 4 демонстрируют рост коронного тока от стержневых молниеотводов высотой h = 30 и 100 м после старта молнии на высоте 3000 м, канал которой приближается к земле со средней скоростью 2×105 м/с по вертикальной траектории с радиальным смещением rM = 3h; погонный заряд канала равен 0,5 мКл/м (средняя по силе молния). Можно видеть, что ток короны превышает критическое значение ~ 10 мА, когда канал молнии опустился до высоты 600 м относительно уровня земли при молниеотводе высотой h = 100 м и до высоты 200 м при h = 30 м, обеспечивая тем самым перевод короны в стримерную форму приблизительно через 12 и 14 мс для молниеотводов в 100 и 30 м соответственно. С указанных моментов времени правомочно говорить о возможности развития встречного лидера, перехватывающего молнию.

Результат процесса перехвата (лучше сказать – процесса ориентировки нисходящей молнии) неоднозначен. Каналы молнии и встречного лидера могут воссоединиться, предопределив удар молниеотвод, а могут и “промахнуться”. Тогда молния ударит в землю или в какой-то другой соседний наземный объект. В такой ситуации важно проследить судьбу родившегося встречного лидера, установив возможность его дальнейшего развития к грозовому облаку уже после удара в землю той самой молнии, что возбудила его своим электрическим полем. На рис. 5 и 6 воспроизведены результаты компьютерного моделирования двух принципиально различных ситуаций.

На первой из них возбужденный встречный лидер двигался от вершины объекта высотой 30 м со скоростью 2-3 см/мкс при собственном токе 0,5 – 3 А и достиг длины около 24 м к тому моменту, когда “промахнувшаяся” молния ударила в землю. При этом заряд молнии нейтрализовался, ее электрическое поле перестало существовать, что привело к практически мгновенному торможению встречного лидера (его ток и скорость упали до нуля).

Последовательность событий на рис. 6 для объекта высотой 200 м принципиально иная. Здесь встречный лидер возник раньше и, двигаясь с примерно такой же скоростью, что и в первом варианте, к моменту удара нисходящей молнии в землю сумел продвинуться вверх примерно на 80 м. Исчезновение электрического поля разрядившейся молнии и здесь затормозило встречный лидер. Однако, развитие разряда не прекратилось полностью, — он продолжил движение к грозовому облаку, хотя и с замедлившейся скоростью. Так родилась восходящая молния.

Теперь можно дать качественное определение высотным сооружениям. Их высота достаточна для развития возбужденного встречного лидера в поле грозового облака после нейтрализации электрического заряда, транспортируемого к земли нисходящей молнией. Иными словами, высотные сооружения допускают формирование восходящих молний от своей вершины.

На равнинной местности пограничная высота таких объектов близка к 200 м.