Основные параметры молнии. Интенсивность грозовой деятельности

Основной количественной характеристикой молнии является ток, протекающий через пораженный объект, который характеризуется максимальным значением i_м, средней крутизной фронта и длительностью импульса τ_и которая равна времени уменьшения тока до половины максимального значения.

В настоящее время наибольшее количество данных имеется по максимальным значениям тока молнии, измерение которой осуществляется простейшими измерительными приборами — магниторегистраторами, которые представляют собой цилиндрические стерженьки, изготовленные из стальных опилок или проволочек, за прессованных в пластмассу. Магниторегистраторы укрепляются вблизи возвышающихся объектов (молниеотводы, опоры линий передач) и располагаются вдоль силовых линий магнитного поля, которое возникает при прохождении тока молнии через объект. Так как для изготовления регистраторов применяются материалы, обладающие большой коэрцитивной силой, они сохраняют большую остаточную намагниченность. Измеряя эту намагниченность, можно с помощью градуировочных кривых определить максимальное значение намагничивающего тока. Измерения магниторегистраторами не обеспечивают большой точности, однако этот недостаток частично компенсируется огромным количеством измерений, которые к настоящему времени исчисляются десятками тысяч.

Располагая вблизи от поражаемого объекта рамку, замкнутую на ин- дуктивную катушку, можно измерить крутизну тока молнии с помощью магниторегистратора, помещенного внутри катушки.

Рис. 10.3 – Кривые вероятности токов молнии по рекомендациям различных авторов. 1 — по данным С. Шпора (Польша); 2 — по данным Льюиса и Фауста (США); 3 — по нормам, принятым в СССР; 4 — по рекомендациям Американского института инженеров-электриков; 5 — по данным измерений на американском небоскребе.

Измерения показали, что токи молнии изменяются в широких пределах от нескольких килоампер до сотен килоампер, поэтому результаты измерения представляются в виде кривых вероятностей (функций распределения) токов молнии, на которых по оси абсцисс откладывается вероятность появления токов молнии с максимальным значением, превышающим значение, указываемое ординатой

На рис. 10.3 приведены кривые вероятности, полученные разными исследователями в различных странах мира. Все эти кривые имеют сходный характер, но довольно сильно отличаются друг от друга. Эти отличия определяются не столько климатическими условиями районов, где производились измерения токов молнии, сколько применявшейся методикой измерений и обработки опытных данных. В Советском Союзе при расчетах грозозащиты используется кривая 3, которой приблизительно соответствует экспоненциальный закон распределения вероятностей:

(10.2)

или

(10.3)

где I_м — максимальное значение тока молнии, кА; Р_I — вероятность того, что максимальное значение тока молнии больше I_м.

Для горных местностей ординаты кривой 3 уменьшаются в 2 раза, так как при малых расстояниях от земли до облаков молния возникает при меньшей плотности зарядов в скоплениях, т. е. вероятность больших токов уменьшается.

Значительно большие трудности представляет экспериментальное определение крутизны и длительности импульса тока молнии, поэтому количество экспериментальных данных по этим параметрам относительно невелико.

Длительность импульса тока молнии в основном определяется временем распространения обратного разряда от земли до облака и в связи с этим изменяется в относительно узких пределах от 20 до 80—100 мкс. Средняя длительность импульса тока молнии близка к 50 мкс, что и определило выбор стандартного импульса.

Крутизна тока молнии на фронте изменяется в столь же широких пределах, что и амплитуда тока молнии, поэтому результаты измерения крутизны оформляются в виде кривых вероятности. Полученные экспериментально кривые также близки к экспоненциальному закону распределения. Наибольшее распространение получила следующая эмпирическая формула:

(10.4)

или

(10.5)

где а — крутизна тока молнии, кА/мкс.

Для практических целей часто бывает недостаточно знать по отдельности вероятности крутизны и максимальных значений тока молнии, необходимо иметь сведения о связи этих величин друг с другом. Такие сведения могут быть получены только из одновременных регистрации этих двух параметров, которых к настоящему времени имеется всего несколько сотен. Эти немногочисленные регистрации показывают, что крутизна имеет тенденцию возрастать при увеличении максимального значения тока молнии, однако эта тенденция довольно слабо выражена. В дальнейших расчетах эти величины в первом приближении принимаются независимыми.

Заряд, стекающий в землю во время многократной молнии, изменяется в пределах от долей кулона до 100 Кл и более. Среднее значение этого заряда близко к 20 Кл. Заряд, спускаемый в землю во время гроз, по-видимому, играет существенную роль в поддержании отрицательного заряда земли. Интенсивность грозовой деятельности в различных климатических районах различается очень сильно. Как правило, количество гроз в течение года минимально в северных районах и постепенно увеличивается к югу, где повышенная влажность воздуха и высокая температура способствуют образованию грозовых облаков. Однако эта тенденция соблюдается не всегда. Существуют очаги грозовой деятельности и в средних широтах (например, в районе Киева), где создаются благоприятные условия для формирования местных гроз.

Интенсивность грозовой деятельности принято характеризовать числом грозовых дней в году или общей годовой продолжительностью гроз в часах. Последняя характеристика более правильна, так как число ударов молнии в землю зависит не от числа гроз, а от их общей продолжительности, однако пока эта характеристика принята только в Советском Союзе.

Число грозовых дней или часов в году определяется на основании многолетних наблюдений метеорологических станций, обобщение которых позволяет составить карты грозовой деятельности. Средняя продолжительность гроз за один грозовой день для территории Советского Союза составляет 1,5—2 ч.

По имеющимся данным, в районах с числом грозовых часов в году n = 30 1 км² поверхности земли в среднем поражается 1 раз в 2 года т е среднее число разрядов молнии в 1 км поверхности земли за 1 грозовой час равно 0,067.