Электрическое поле «хорошей» погоды направлено сверху вниз, т.е. земля заряжена отрицательно, а атмосфера – положительно. Это направление поля считается нормальным, а вертикальный градиент электрического потенциала (далее – потенциала) – положительным. У поверхности земли градиент потенциала составляет в среднем ~ 130 В/м.
Электричество «хорошей» погоды обусловлено наличием в атмосфере так называемых лёгких аэроинов, которые появляются за счёт ионизации воздуха при распаде радиоактивных веществ как в земле (почве), так и в атмосфере. Кроме того, ионизация воздуха происходит под действием космических лучей, однако в тропосфере этот процесс малоинтенсивен.
За счёт наличия градиента потенциала в атмосфере «хорошей» погоды в воздухе протекают токи диффузии, конвекции и проводимости, величина которых в совокупности составляет ~ 3∙10-12 А/м2.
С появлением в атмосфере различного рода аэрозолей напряжённость электрического поля (градиент потенциала) несколько возрастает, однако существенно величина электрических токов при этом не увеличивается.
С развитием в тропосфере мощных конвективных потоков воздуха в летнее время появляются кучевые облака разных типов, которые представляют собой аэрозольные системы. Скорость конвективных потоков при этом может достигать 50 м/с. Наряду с конвективными в таких облаках развиваются и мощные турбулентные потоки воздуха. Мощность кучевых облаков по высоте достигает 5…7 км, а диаметр их – 10-ти км и более. Часть кучевого облака располагается над нулевой изотермой атмосферы, что способствует образованию твёрдофазной воды (снежинки, крупа, градины). Кучевое облако при этом трансформируется в кучево-дождевое, в котором аэрозольные частицы воды на высоте ниже нулевой изотермы укрупнены до диаметра ~ 1 мм за счёт слияния более мелких – диаметром ~ 50 мкм.
В кучево-дождевом облаке за счёт мощных воздушных потоков идёт сильная трибоэлектризация частиц, составляющих дисперсную фазу облачного аэрозоля. При этом могут создаваться флуктуации как положительных, так и отрицательных зарядов, имеющих в поперечнике километровые размеры. Напряжённость электрического поля между соседними флуктуациями и землёй при разноимённых зарядах достигает 9·105 В/м и более, что способствует возникновению газового электрического разряда – молнии.
Развитие разряда, например, из облака, на землю начинается с образования стримера (от англ. stream – течь, проноситься), который с большей скоростью (до 106 м/с) начинает движение в воздухе к заряду противоположного знака. Стример ещё не молния, а лишь её лидер, обеспечивающий за счёт фотоионизации воздуха извилистый и ветвящийся токопроводный канал в атмосфере. По каналу лидера развивается с поверхности земли главный возвратный удар молнии, который и переносит основной электрический заряд кучево-дождевого облака.
Скорость распространения главного удара достигает 108 м/с, а сила электрического тока составляет при этом ~ 2∙105 А. Спустя сотые доли секунды описанный процесс повторяется многократно. В среднем молния состоит из трёх главных ударов (разрядов).
После описанных процессов начинается восстановление прежнего значения напряжённости электрического поля, которое происходит ~ 7 с и ситуация повторяется. Заканчиваются грозовые разряды тогда, когда снижается мощность конвективных потоков воздуха за счёт охлаждения поверхности земли осадками, или когда расходуется накопленный заряд атмосферного электричества.
Опасность разрядов атмосферного электричества
При грозовом разряде в течение короткого промежутка времени (~ 100 мкс) при величине электрического тока молнии ~ 2∙105 А в разрядном канале развивается температура до 30000 °С. За счёт этого быстро расширяется нагретый воздух и возникает взрывная волна (гром), способная производить локальные разрушения объектов при прямых ударах в них молнии.
Высокая температура молнии является мощным импульсом воспламенения всех горючих веществ, что приводит к взрывам и пожарам на производстве, а также в быту и в природных условиях (например, масштабные лесные пожары).
Прямые удары молнии (ПУМ)могут вызвать человеческие жертвы. Опасными факторами также являются вторичные проявления молнии в виде электростатической и электромагнитной индукции.
Электростатическая индукция проявляется тем, что на изолированных от земли металлических предметах наводятся опасные электрические потенциалы, в результате чего возможно искрение между отдельными проводящими элементами конструкций и оборудования, что может вызвать взрывы и пожары.
В результате электромагнитной индукции, обусловленной быстрым изменением силы тока молнии, в металлических незамкнутых контурах наводится ЭДС, что приводит к опасности искрообразования между ними в местах сближения этих контуров.
Во время ударов молнии в различные объекты, находящиеся вдали от производственных зданий и сооружений, возможно проникновение (занос) электрических потенциалов в них по внешним металлическим сооружениям и коммуникациям – эстакадам, монорельсам и канатам подвесных дорог, трубопроводам, оболочкам электрических кабелей и др.
Кроме указанных опасностей грозовые разряды снижают безопасность полётов авиации, вызывают нарушение работы линий электропередачи и связи, генерируют интенсивные радиопомехи и др.
Защита производственных зданий и сооружений от молнии (млниезащита)
Молниезащитой называется комплекс защитных устройств, предназначенных для обеспечения безопасности людей, сохранности материалов, оборудования, сооружений и зданий от возможных загораний и разрушений, вызванных воздействием молнии.
При разработке средств молниезащиты все защищаемые объекты подразделяются на две группы:
обычные объекты (жилые и административные здания и сооружения, высотой не > 60 м, предназначенные для промышленного и сельскохозяйственного производства, и торговли);
специальные объекты, представляющие опасность для непосредственного окружения, а также для социальной и физической окружающей среды, в которых при ударе молнии могут произойти вредные биологические, химические и радиоактивные выбросы. К специальным объектам относятся также строения высотой > 60 м, игровые площадки, строящиеся объекты.
По уровню защиты от ПУМ обычные объекты подразделяются на четыре класса:
I – надёжность защиты 0,98;
II – надёжность защиты 0,95;
III – надёжность защиты 0,90;
IV – надёжность защиты 0,80;
Надёжность молниезащиты определяется по формуле:
N = 1 – Р, (25)
где Р – предельно допустимая вероятность удара молнии в объект, защищаемый молниеотводами – устанавливается в зависимости от значимости объекта и тяжести возможных последствий.
Для специальных объектов надёжность защиты от ПУМ устанавливается в пределах от 0,9 до 0,999 в зависимости от значимости объекта и тяжести возможных последствий при прямых ударах молнии.
Защита от прямых ударов молнии:
Комплекс средств от прямых ударов молнии включает в себя устройства защиты от ПУМ (внешняя молниезащита) и устройства защиты от вторичных воздействий молнии (внутренняя молниезащита).
Скачать реферат