Общие сведения о молнии

Молния представляет собой разновидность газового разряда при очень большой длине искры. Общая длина канала молнии достигает нескольких километров, причем значительная часть этого канала находится внутри грозового облака. Из-за того, что в облаке образуется несколько изолированных друг от друга скоплений зарядов (в нижней части облака скапливаются преимущественно заряды отрицательной полярности), молния обычно бывает многократной, т. е. состоит из нескольких единичных разрядов, развивающихся по одному и тому же пути, причем каждый разряд, так же как и разряд, получаемый в лабораторных условиях, начинается лидерным и завершается обратным (главным) разрядом. Скорость опускания лидера первого единичного разряда примерно равна 1,5∙10⁵ м/с, скорости лидеров последующих разрядов достигают 2∙10⁶ м/с, а скорость обратного разряда изменяется в пределах 1,5∙10⁷—1,5∙10⁸ м/с, т.е. от 0,05 до 0,5 скорости света.

Канал лидера, как и канал всякого стримера, заполнен плазмой, следовательно, обладает определенной проводимостью. Верхним концом лидерный канал соединен с одним из заряженных центров в облаке, поэтому часть зарядов этого центра стекает в канал лидера. Распределение заряда в канале должно быть неравномерным, возрастая к его концу. Однако некоторые косвенные измерения позволяют предположить, что абсолютная величина заряда на головке лидера невелика и в первом приближении канал можно считать равномерно заряженным с линейной плотностью зарядов σ (рис. 10.1, а). Общий заряд в канале лидера в этом случае равен Q = σl, где l — длина канала, причем обычно значение его составляет около 10% значения заряда, стекающего в землю во время единичного разряда молнии. В 70—80% всех случаев этот заряд имеет отрицательную полярность.

По мере продвижения канала лидера под действием создаваемого им электрического поля в земле происходит смещение зарядов, причем заряды, противоположные по знаку зарядам лидера (обычно это положительные заряды), стремятся расположиться как можно ближе к головке лидерного канала. В случае однородного грунта эти заряды скапливаются непосредственно под лидерным каналом. Если грунт неоднородный и основная его часть обладает большим удельным сопротивлением, заряды сосредоточиваются в участках с повышенной проводимостью (реки, грунтовые воды). При наличии заземленных возвышающихся объектов (молниеотводы, дымовые трубы, высокие здания, смоченные дождем деревья) заряды стягиваются к вершине объекта, создавая там значительную напряженность поля.

На первых стадиях развития лидерного канала напряженность электрического поля на его головке определяется собственными зарядами лидера и находящимися под облаком скоплениями объемных зарядов. Траектория движения лидера не связана с земными объектами. По мере опускания лидера все большее влияние начинают оказывать скопления зарядов на земле и возвышающихся объектах. Начиная с определенной высоты головки лидера (высота ориентировки), напряженность поля по одному из направлений оказывается наибольшей, и происходит .ориентирование лидера на один из наземных объектов. Естественно, что при этом преимущественно поражаются возвышающиеся объекты и участки земли с повышенной проводимостью (избирательная поражаемость).

Рис. 10.1 – Отдельные стадии развития обратного разряда и изменение во времени тока молнии. а — последняя стадия лидерного разряда; б — возникновение зоны интенсивной ионизации вблизи поверхности земли; в — промежуточная стадия развития обратного разряда; г — заключительная стадия развития обратного разряда; 1 — канал лидера; 2 — зона перестройки канала; 3 — канал обратного разряда.

С очень высоких объектов навстречу лидеру развиваются встречные лидеры, наличие которых способствует ориентированию молнии на данный объект. После того, как канал лидера достигнет земли или встречного лидера, начинается обратный разряд, во время которого канал лидера приобретает потенциал, практически равный потенциалу земли. На головке развивающегося вверх обратного разряда имеется область повышенной напряженности электрического поля, под действием которой происходит перестройка канала (рис. 8.1, б), сопровождающаяся увеличением плотности зарядов плазмы от 10¹³—10¹⁴ 1/м³ до 10¹⁹—10¹⁶ 1/м³, благодаря чему проводимость канала увеличивается по крайней мере в 100 раз. Во время развития обратного разряда (рис. 10.1,в, г) через место удара проходит ток i_M = σv, где v — скорость обратного разряда.

Процесс, происходящий при переходе лидерного разряда в обратный разряд, во многом аналогичен процессу замыкания на землю вертикального заряженного провода (рис. 10.2). Если заряженный провод имеет сопротивление r, то ток в месте заземления равен:

(10.1)

где z — волновое сопротивление провода.

Рис. 10.2 – Замыкание на землю вертикального заряженного провода (ана­логия процессу перехода лидерного разряда молнии в обратный разряд).

Таким образом, и при разряде молнии ток в месте удара будет равен только при сопротивлении заземления, равном нулю. При сопротивлениях заземления, отличных от нуля, ток в месте удара уменьшается. Количественно определить это уменьшение довольно трудно, так как волновое сопротивление канала молнии можно оценить лишь грубо приближенно. Имеются основания предполагать, что волновое сопротивление канала молнии уменьшается при увеличении тока, причем среднее значение примерно равно 200 – 300 Ом. В таком случае при изменении сопротивления заземления объекта от 0 до 30 Ом ток в объекте изменяется всего на 10%. Такие объекты в дальнейшем мы будем называть хорошо заземленными и считать, что через них проходит полный ток молнии i_м = σv.