И развитие молнии

ВОЗНИКНОВЕНИЕ

Как отмечалось, большинство ударов молнии (80—90 %) развиваются из отрица­тельно заряженных областей грозового облака и переносят на землю отрицатель­ный заряд.

По мере концентрации отрицательных зарядов в облаке увеличивается напряжен­ность электрического поля, и когда она достигает критического значения, завися­щего от высоты над землей, становится возможной ионизация воздуха, и в сторону земли начинает развиваться разряд. На начальной стадии, называемой лидерной, канал разряда развивается ступенчато Ступени следуют друг за другом с интер­валами 30—50 мкс. Во время каждой сту­пени канал удлиняется на 5—100 м. Новая часть разрядного канала светится очень ярко, в то время как старая вспыхивает сравнительно тускло (рис 9.5). Лидерный процесс развивается со средней скоростью (1—2)10⁵ м/с и продолжается (в видимой с земли части) 10—30 мс.

Канал лидера окружен обширной зоной ионизации, имеющей избыточный заряд того же знака, что и облако. Радиус зоны ионизации можно оценить по формуле

где — напряженность поля на границе зоны ионизации (меньше критической напряженности, может быть принята рав­ной 10—15 кВ/см); — линейная плот­ность заряда (зависит от лидерного тока и средней развития лидера может быть оценена как ).

Рис. 9.5. Схема развития нисходящей молнии:

1 — ступенчатый лидер; 2 - стреловидный лидер, 3 - главный разряд; 4 — ветвь

Ток в лидерной стадии молнии имеет порядок десятков и сотен ампер. Варьируя ток, получаем значения радиуса зоны иони­зации м.

Заряды облака и лидера индуцируют на поверхности земли и на расположенных на ней объектах заряды другого знака. По мере приближения лидера к земле индуци­рованный заряд и напряженность электри­ческого поля на вершинах возвышающихся над поверхностью земли объектов вырас­тают, и с них могут начать развиваться встречные лидеры.

Когда канал развивающегося от облака лидера приближается к земле или к одному из встречных лидеров на расстояние 25 - 100 м, то между ними возникает высокая напряженность электрического поля, сред­нее значение которой оценивается в 10 кВ/см. Промежуток между лидерами про­бивается за несколько микросекунд, и в нем выделяется энергия 0,5 - 5 МДж, которая расходуется на нагрев и термоионизацию. Проводимость этой части канала разряда резко возрастает. Область высокой напря­женности поля, образовавшаяся на границе контактирующего с землей хорошо проводя­щего канала и зоны ионизации лидера, пере­мещается по направлению к облаку со ско­ростью 1,5∙10⁷ — 1,5∙10⁸ м/с (0,05—0,5 скорости света). При этом происходит нейтрализация зарядов лидера. Ток в канале за 5 – 10 мкс достигает многих десятков кило-ампер, а затем за 25 —200 мкс понижается до половины максимального значения. Процесс этот, называемый главным разрядом, сопро­вождается сильным свечением канала раз­ряда и электромагнитным излучением. Канал разряда, разогретый за очень короткое время до температуры 20000—30000 К, быстро расширяется, что вызывает распро­странение в окружающем воздухе ударной волны, вырождающейся в звуковую и вос­принимаемой как гром.

В завершающей (финальной) стадии молнии по каналу в течение десятков мил­лисекунд проходит ток порядка десятков и сотен ампер. В это время нейтрализуются заряды облака.

В грозовом облаке во многих случаях образуется не одна область концентрации зарядов, а несколько. Располагаются они, как показывает анализ изменения электри­ческого поля во время удара молнии, в основном на разной высоте. Поэтому раз­витие разряда из нижней заряженной области по другим направлениям, кроме земли, затруднено. Только после нейтрали­зации заряда нижней области становится возможным разряд из следующей по высоте концентрации зарядов (рис. 9.6).

Лидер повторного разряда развивается по ионизированному пути, проложенному первым разрядом, поэтому скорость его выше и имеет порядок 10⁶ м/с. Развивается он непрерывно, без ступеней. Ярко све­тится только его головка, прочерчивая на фоторазвертке во времени непрерывную линию (см. рис. 9.5). Особенности разви­тия лидера повторных разрядов дали осно­вание называть его стреловидным.

По достижению стреловидным лидером наземного объекта или встречного лидера происходит повторный главный разряд, соп­ровождающийся прохождением по каналу большого тока и ярким его свечением.

Рис. 9.6. Схема развития двухкомпонентной молнии

В большинстве случаев молния состоит из двух-трех отдельных разрядов (компонен­тов), однако наблюдаются молнии и с боль­шим числом компонентов (до 20—30). На рис. 9,7 показаны вероятности возникнове­ния молний с разным числом компонентов. Многокомпонентная молния может длиться до 1,3 с (самое большое зарегистрированное время). Чаще же всего длительность молнии не превышает 0,1 с. Следующие друг за дру­гом яркие вспышки канала при повторных импульсах тока воспринимаются наблюдате­лем как мерцание молнии.

Рис. 9.7. Распределение числа компонентов в ударе молнии

Рис. 9.8. Схема развития восходящей молнии (обоз­начении см. на рис. 9.5)

Если высота объекта составляет сотни метров, то напряженность электрического поля на его вершине может достигнуть критического значения раньше, чем напря­женность поля в облаке, В таких случаях развитие молнии начинается не с облака, а с вершины объекта. Большинство разрядов, поражающих Останкинскую телебашню, начинается развитием лидера с ее вершины (540 м над поверхностью земли).

Такие молнии не имеют резко выражен­ной главной стадии. Лидеры повторных разрядов в этих случаях всегда развива­ются от облака к земле, и повторные ком­поненты не отличаются от нисходящих от облака молний (рис. 9.8).

Дата добавления: 2014-01-06