Новые сведения о молнии (внутриоблачные разряды, пульсирующая молния, высокочастотные излучения) Текст научной статьи по специальности «Физика»

5 декабря 2011 г. 23:56

ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА

Новые сведения о молнии

(Внутриоблачные разряды, пульсирующая молния, высокочастотные излучения)

Рассматриваются результаты исследований молнии, проведённые за последние годы и расширяющие наши представления о механизме, параметрах и частотном спектре молнии. Обсуждаются также модели главного удара и соответствия между рекомендуемыми и реальными характеристиками грозовых разрядов.

Соколов СА,

ЛТ.Н-, профессор МТУ СИ,

s.asokolov@1ist.ru

Молния изучается со времён Франклина и Ломоносова уже 250 лет, и до сих пор мы не можем сказать, что хорошо знаем все особенности грозовых разрядов. Казалось в середине XX века, когда молнией занимались десятки высоковольтных лабораторий во всём мире, что выяснено всё, однако только к концу XX века оказалось, например, что кроме межоблачных и разрядов в землю существуют распределённые грозовые разряды от облаков вверх в ионосферу с амплитудой полного тока порядка миллиона Ампер.

При расчётах главный разряд молнии обычно принимают в виде разности двух экспонент (биэкспоненциальная форма) с фронтом от 0,1 мкс (у повторных разрядов) до 1-10 мкс (в среднем 1,5-2 мкс) у первого разряда и временем полуакща порядка нескольких десятков микросекунд то есть спектр молнии по существу низкочастотный. Основная энергия заключена в области до 10 кГц и только небольшая часть энергии в спектре до 1 МГц Между тем, наблюдения показывают, что при грозе фиксируются частоты порядка нескольких десятков мегагерц Буквально в последние годы В.Раковым (университет Флориды) и др. проанализирован механизм ещё одного вида грозовых разрядов — внутриоблачных (по американской терминологии CID — compact introcloud discharges), ответственных за излучения в спектре до 30 МГц Как выяснили В.Раков и др. [1,2], механизм этих разрядов таков. Они случаются в грозовых облаках, расположенных на большой высоте {10-15 км) от поверхности земли, где величина поля недостаточна для пробоя к земле. Как известно, облака в нижней своей части, как правило, заряжены отрицательно. При достижении критунеской величины напряжённости электрического поля в отдельных местах начинается разряд из нижней части облака к заряженной положительно верхней части. Разряд обычно движется со скоростью порядка 200 м/мкс (две трети от скорости света), и, если толщина облака небольшая (на такой высоте не больше нескольких сот метров), за доли микросекунды начало разряда достигает верхней части облака. Здесь пришедший заряд частично поглощается, частично отражается в обратном направлении. Возникает так назьваемая под прыгивающая волна - "bouncing wave". По мнению В.Ракова, это словосочетание лучше всего соответствуют в русском языке понятию "пульсирующая волна". Путём экспериментальных исследований, в том числе на моделях, удалось выяснить, что коэффициент отражения заключён в пределах от 0 до -0.5. Далее импульс тока движется вниз, и в конце пути внизу облака происходит новое отражение. Полная волна тока имеет длительность порядка нескольких десятков микросекунд и она много больше времени прохождения отражённых волн вверх-вниз. Основная волна продолжает развиваться, на неё периодически накладываются отражения начала импульса от концов канала. Волна приобретает вид импульса, на который наложены многочисленные скачки, связанные с наложением отражённых волн. Расстояние между скачка-

ми соответствуют времени обхода канала туда-обратно, то есть порядка долей мкс Картинка импульса напряжённости электрического поля показана на рис 1 (верхняя чость). График крутизны паля (с^Е/сН) показан на там же рисунке внизу.

Явления при отражениях от концов подобны явлениям, происходящим при короне. Пробои и рассеивание энергии при отражениях на концах канала делают процесс нелинейным и затрагивают электронные оболочки атомов. Отражения и скачки крутизны при отражении сопровождаются вспышками высокочастотного излучения. Полная амплитуда тока может достигать величины в несколько десятков килоампер, так что энергия излучения достаточно велика.

Электрическое поле внутриоблачного разряда у поверхности земли имеет индукционную, статическую и радиационную составляющие. На расстоянии 2 км (по горизонтали) превалирует индукционная составляющая, так что поле по форме практически совпадает с основной волной тока. На расстоянии 200 км поле представляет собой радиационную составляющую и измеренная величина достигала амплитуды 1.5 В/м (при токе около 50 кА). Вспышка излучения имеет спектр до 30 МГц так что эти воздействия опасны для спутников и других летающих объектов, например, для безлицензионных беспроводных технологий, таких как так называемая аэростатная связь. “Скачущая" или "пульсирующая" волна ответственна за вслыижи излучения, которые происходят примерно каждые

100

S1

^54 55 S2

4 в в

Time (ms)

10 12

^с. 1. Изменение электрического поля (вверху) и график изменения крутизны поля "прыгсющвго" разряда (внизу). Расстояние между скачками соответствует времени прохождения импульсом тока толщины облака

Т-Солпт, #8-2010

13

Al = I/ V = 100т / 200 (m/ps) = 0,5 мкс (при толщине облака 100 м), когда прыгающая волна достигает конца канала. Амплитуда отражённой волны увеличивается, если условия на конце канала приближаются к "холостому хсд/'.

Так что внутриоблачные разряды СЮ вполне могут быть ответственны за сбои в работе высотных систем связи, а также радиорелейных линий, наряду с коронными разрядами высоковольтных линий электропередачи и тиристорными системами управления.

В 1990 г. (Франц) было сделано открытие факта, что возможны удары молнии, направленные от облаков вверх в ионосферу [ 18]. Эти удары сопровождаются возмущениями ионосферы и электро-магнитнькми, в том числе оптическими излучениями, которые получили название спрайтов (эльфов). Впоследствии спрайты наблюдались в различных географических точках всего мира. Найдено, что грозовые облака, порождающие спрайты, как правило, удовлетворяют следующим условиям:

1) облако обладает значительной пространственной структурой (по высоте) и имеет преимущественно положительный заряд

2) облако обладает большим моментом заряда, порядка 200-300 Кутгкм, при этом важна не сама величина заряда, а величина QdS.

При выполнении этих условий возможен пробой диэлектрического слоя мезосферы поверх грозовых облаков. Наблюдались также факты как бы самоорганизации облаков, ведущие к сближению зарядов внутри ячеек грозового облака, что приводит к росту QdS. Грозовое облако может иметь протяжённую или столбообразную форму. Амплитуда тока вверх может достигать нескольких сот килоампер, однако этот ток распределён по некоторой площэди. Явления спрайтов наблюдались как летом, так и в зимний период Ионосфера расположена на высоте от 50 до 90 км над поверхностью земли, и электромагнитные возмущения и излучения в этой области не могут не сказаться на распространении сигналов.

Между поверхностью земли и ионосферой существует пространство, в котором электропроводность меняется с высотой над землей, начинаясь с очень малой величины у поверхности земли (рис 2).

Шуман [19, 20] показал, что в результате грозовой активности в этом пространстве возникают и распространяются резонансные электромагнитные волны сверхнизкочастотного диапазона (резонансы Шумана). Установлено, что эти волны тесно связаны с появлением оптических феноменов (красных спрайтов) в мезосфере и нижних слоях ионосферы. Низкочастотные переходные Elf-процессы являются одним из важных инструментов изучения оптических процессов в мезосфере и электродинамической связи между ионосферой и нижними слоями атмосферы. В предельном упрощении в

fV<c 2. Изменение проводимости

в системе земля

- ионосфера

сферическом пространстве между поверхностью земли и ионосферой распространяется единственная мода типа ТЕМ нулевого порядка, тогда как моды более высокого порядка быстро затухают. Ряд факторов сильно усложняют проблему, это — радиальная (вертикальная) негомогенность ионосферы, дневная-ночная асимметрия, локальные возмуиугния ионосферы.

Расчеты показывают, что горизонтальная компонента магнитного поля содержит частоты порядка 50*250 Га а амплитуда поля слабо меняется даже на расстоянии 10-15 Мм (Мегаметров) от места возникновения волны.

Низкочастотные компоненты магнитного поля резонансов Шумана вместе с высокочастотными компонентами грозовых разрядов в мезосфере могут вызывать в медных электрических цепях спутников значительные напряжения, пр^одяшие к сбою в работе аппаратуры.

Временная структура атмосферных родиошумов четко дифференцирована на флуктуационную и импульсную составляющие. Максимальная интенсивность электрического поля в среднедлинноволновом диапазоне наблюдается во второй половине дня после полудня. Минимальная — после полуночи. Единым источником, порождающим эти эффекты, является, по всей видимости, глобальное пространственно-временное распределение параметров ионосферы.

Возрастающие требования к качеству электроэнергии и связи заставляют более тщательно изучать ряд вопросов, связанных с параметрами молнии, так как результаты классических исследований, проведенных в XX веке, не полностью удовлетворяют современным требованиям в части защиты линий связи и других объектов.

Известна инженерная модель удара молнии, включающая стадию лидера, направляющегося от облака к земле, и последующую нейтрализацию заполненного отрицательными зарядами канала положительными зарядами от земли, вследствие так называемого обратного (возвратного) или главного разряда.

За последние 30 лет были развиты ряд моделей главного удара, которые клоссифицированы Раковым [ 1 ] как;

1. Физические модели, включающие решение газодинамических моделей плазмы, формирующей разряд молнии.

2. Модели "тонкопроволочной“ антенны, рассматривающие разряд как антенну из тонкой проволоки, излучающую в пространстве, и использующие уравнения теории антенн для расчёта поля.

3. Модели распределённой цепи, которые представляют разряд молнии в виде цепи с распределёнными параметрами, в которых имеет место переходный процесс

4. "Инженерные" мсдели, определяющие пространственно-временное распределение тока в канале на основе непосредственных измерений тока молнии.

Последняя мсдель наиболее проста и употребительна, так как позволяет легко получить приближённые оценки электромагнитного поля и воздействия молнии.

Существует множество попыток определить токи молнии и их крутизну по измерению электрических и магнитных полей, удалённых от точки удара молнии (см, например. Костенко [21 Разевиг [31 N1x0 [4] и др.). Однако результаты удалённых измерений зависят от принятой модели и заведомо худшего качества, чем прямые измерения.

Рассматривая канал молнии как антенну иод проводя шэй плоскостью, из уравнений Максвелла можно получить выражения для поля молнии Обычно на практике рассматривают три варианта расстояний между молнией и местом, где необход имо знать величину поля:

— короткие расстояния до нескольких сот метров;

— большие расстояния в несколько десятков километров;

— промежуточные расстояния от сотен метров до нескольких километров.

В каждом из этих случаев производятся упрощения уравнений вследствие во^иожности пренебречь некоторыми компонентами ПОЛЯ.

14

T-Comm, #8-2010

ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА

Изучая инициированные молнии, Раков [8,9] установил, что приемлемая оценка тока может быть получена из соотношения:

Iя 1,5-0,037 ED, (1)

где I — в кА, Е — В/м, D — расстояние до места удара молнии в км. При этом предполагается, что Е и D — положительны, а ток получается отрицательным

Большая работа по измерению токов молнии, вызванных с помощью устройств, инициирующих разряды, была проделана профессором университета во Флориде (США) ВАРаковым Ему удалось получить ряд новых результатов, уточняющих наши знания о молнии. В то же время теоретические и экспериментальные изучения полей выполнены Яношем (университет Лозанны) и другими [8]. Измерения токов молнии при ударах в высотные сооружения проводятся уже давно, однако исследования Горина [ 10] в России, а также Герриери и др.[ 11 ] установили, что статистика токов, измеренных на различной высоте в точках высотных объектов (таких, как телевизионные башни), содержит ошибки.

Обнаружено, что при ударах молнии в высокие сооружения типа телевизионных башен, величина и форма протекающего тока зависит от того, на какой высоте этот ток измеряется (рис 3).

Это связано с наличием отражений в точках, где соприкасаются объекты с разным волновым сопротивлением; например, канал молнии имеет волновое сопротивление порядка 600-1000 Ом, волновое сопротивление однородной башни примерно 300 Ом, сопротивление заземления — от долей Ома до единиц Омов. По данным Горина Б.Н и Левитова В.И., волновое сопротивление высотных башен порядка 500-1000 Ом, в частности Останкинской телебашни -550 Ом. В произвольном случае волновое сопротивление можно оценить по формуле

Z*138lg(2h/d),

(2)

¡М/П-Р') при 0<1<2Ь/с, ЬМ-«/(1-р|)-[1Л1-р«]г‘п.о РГ'*

х Р9"'П -р,)-fei*-М/с)

(3)

(4)

_____ 540 м

533 м

Za

о ■10 -20 •30

о

•10

•20

•30

10 20 30

10 20 30

10 20 30

47 М

при 2kh/c < t < 2(<с +l )h/c, где р, вершине башни;

p-lZb-Zot/l^l

- коэффициент отражения при

(5)

где Ь — высота башни, а 6 — ее диаметр.

Побочным результатом исследований ударов молнии в башни было установление факта, что очень высокие объекты обладают не слишком значительным защитным эффектом.

При ударах молнии в башню происходят отражения волны тока, как от вершины башни, так и от ее основания; и после прихода отраженных волн ток в канале молнии искажается, как и ток, протекающий по телу башни.

"Неискаженный" ток ^(») в канале молнии можно определить по результатам измерения тока М на вершине башни из соотношений:

Лс 3. Результаты измерения амплитуды и тока молнии в разных точках вдоль башни в Останкино

рд — коэффициент отражения у основания (заземления).

P<rivzg)/ivzg> (6)

Zq Zb и Zg — вол новь >е сопротивления канала молнии, башни и заземления.

Используя эти соотношения, можно определить ток на любой высоте Ь вдоль башни в функции времени при постоянных коэффициентах отражения рги рд. Однако коэффициенты отражения могут быть частотно-зависимыми, и тогд а определение тока переходит в частотную область, с последующей трансформацией во временную область.

Бермудес Рэчиди и Рубинштейн (12] предложили метод определения коэффициента отражения у заземления pg(i) на основе двух измерений тока и оценку коэффициента отражения на вершине башни рДсо) путем экстраполяции, используя форму тока на вершине. В своей роботе они показали, что на верим не башни коэффициент отражения как функция частоты может быть определен только приблизительно. Дальнейшее успехи в определении коэффициентов отражения связаны с применением так называемых "генетических" алгоритмов, т.е. путём применения биологических принципов естественной эволюции к искусственным системам, которые были развиты в конце 80-х гг. XX столетия. Иногда их называют также "эволюционным" вычислением [13]. Генетический алгоритм позволяет по данным одновременных измерений токов в двух точках на различной высоте определить ;0(f) и уточнить инженерные мсдели.

Большие разночтения существуют по поводу длительности фронта и крутизны тока молнии. По Бергеру средняя величина фронта (на уровне 10-90%) составляет 0.6 мкс а в инициированных молниях 0,3-0,6 мкс (1991 -93). Для средней крутизны Андерсон и Эриксон на уровне 10-90% дают величину 15 кА/мкс (1980), Ле-тейнтурье — 44 кА/мкс (1991), Фишер — 34 кА/мкс (1993). Крайдер [14], используя измеренные производные электр^меского поля и простую инженерную модель линии, вывел заключение, что средняя величина dl/dt равна 115 кА/мкс. Наибольшая наблюдавшаяся крутизна зафиксирована Летейтурье (1991) — 411 кА/мкс при инициированном разряде в солёную воду с амплитудой тока 60 кА Прослеживается связь между амплитудой тока и крутизной — чем больше ток, тем больше крутизна, по крайней мере, в пределах до 60 кД причем, похоже, что эта зависимость линейна. Данные измерений (рис 4) крутизны и амплитуды тока относительно хорошо ложатся на график

di/dt=о + ki, где а ~ 35 кА/мкс, а к ~ 5 1 /мкс.

В то же время разброс величин вокруг средних значений при малых амплитудах тока очень велик, и даже при малых токах крутизна может достигать значений порядка 200 кА/мкс Длительность фронта последующих разрядов примерно одинакова и равна 0,2 мкс так что их крутизна равна 5 1м/мкс

Проведенные ведущими мировыми специалистами (Раков, Юман, Янош и др.) исследования, в том числе при инициировании разрядов с помощью запущенных в облако ракет, резюмированы Раковым следующим образом:

— типичный удар молнии между облаком и землей — многократный и состоит из 3-5 разрядов со средним интервалом между повторными разрядами 60 миллисекунд Общая длительность удара

— несколько десятков или сотен миллисекунд хотя в отдельных случаях может достигать 1000 миллисекунд

T-Comm, #8-2010

15

кА

А,кс dl/tit

О 10 20 30 40 5О 60 кА

Рис 4. Охзтмошение между измеренными значениями амплитуды и крутизны тока молнии

— число одиночных разрядов не превышает 20%, рекомендуемая CIGRE величина в 45% является завышенной;

— ток первого разряда обычно в 2-3 раза больше последующих, однако около 1/3 ударов имеют хоть один повторньй разряд с амплитудой больше первого;

— приблизительно половина всех ударов встречается с землёй более чем в одной точке с расстоянием между ними до нескольких километров;

— средняя вел^ина амплитуды тока порядка 30 кА; при непосредственных измерениях величина тока не превышала 300 кА, хотя оцэнки удаленных ударов по величине полей позволяют предполагать существование токов порядка 500 кД

— только несколько процентов первых отрицательных разрядов превьшают по амплитуде 100 кА и 20% положительных;

— длительность фронта от 1 до 5 мкс, хотя зафиксированы случаи с фронтом тока 0,2 мкс и 18 мкс; максимальная крутизна — порядка 100 кА/мкс;

— последующие разряды, как правило, имеют большую крутизну, чем первый (в несколько раз, фронт порядка 0,2 мкс);

— инициированные разряды подобны последующим в многократном ударе;

— общий заряд обычно составляет несколько десятков кулонов;

— скорость распространения возвратного удара вверх от 1/3 до 1 /2 скорости света.

Существующая в нашей стране "Инструкция по устройству мол-ниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций" (Москва, 2004),утверждённая Минэнерго России, и в создании которой принимал участие и автор данной статьи, рекомендует при выборе молниезснциты уровня I принимать следующие величины параметров молнии (см таблицу). Как видно из таблицы, принятые у нос параметры отличаются от выводов Ракова в части крутизны импульсов молнии. Принятая у нас крутизна значительно превышает среднюю величину крутизны наблюдаемой молнии, но в то же время соответствует максимальным наблюдавшимся значениям

Соотношение между числом отрицательных и положительных разрядов до сих пор выглядит достаточно неопределённым. Отрицательных разрядов значительно больше среди токов свыше 5 кА. Бер-

1 (арамсгр 11срвыП импульс Последующие импульсы

Амплитуда. кА 200 50

Фронт, мкс 10 0.25

Полуспад. мкс 350 100

Крутизна, кА мкс 200 200

Полная ДЛИТСЛЬНОСТЬ, с 0.5

гер даёт по результатам своих замеров соотношение между отрицательными и положительными разрядами как 101/26.Согласно измерениям ударов в Останкинскую башню это соотношение равно 36/1. Отрицательных разрядов среди ударов с большой амплитудой значительно больше, чем положительных. Однако при малых

Трудности расчета наведенных напряжений и токов в экранированных кабелях связаны главным образом с тем, что переходные им-педансы хорошо исследованы и задаются в частотной области, тогда как ток молнии и ожидаемые эффекты удобнее изучать во временной области. Метод учитывающий комбинацию частотных и временных способов, был развит за последние годы Яношем, Раковым, Куреем и др.[ 15]-[ 17]. Для этого потребовалось развитие новых математических подходов, в том числе так называемый генетический метод и др.

Литература

1 DM. le Vine Sources of #>e sfconges» RF rocfcrtcn of lightning. j GeopbysRes \fol. 05. P 4091-4095.1980.

2. A Nog, VARakov, D Tsdikis. New experimental data on lightning events producing inience VHf rodofcn bursts EOS Ians. AGU vd 89, № 53

3 Митрах^ы BE Метс^ка оценки импульсного электромагнитного апиямш на кабели aspo*ооновских аппаратов Надёжность фумкцлсикрова^*« систем автоматики и ииформа1*«нных сетей железнодорожного транспорта Межвузовосий тематический сбор** научных трупов Омская государственная академия путей сообщения. Омас. 1995 С 75-93.

4. VARakov lighting Electromagnetic Fields: Modefing and Measurements Proc 12It Int. Zurich Syrup. on EMC February 18-20, 1997, paper 11 Cl.

5. M. 8 Костенко Атмосферные перенапряжения и грозозаивла высокоеогы-мьа устаноесж- М.-Л. Госэнергоиздат. 1949.

6. ДВ.Разевкт Атмосферные перенапряжения на плниях электропередачи. М -Л. Гоонергоиэдат 1959

7. CANuod et al. lighting return sloke cuter* models wifi specified channel-base current: a review and comparison. Journal al Geophysical Research Vol.95, November 1990

8. VARakov lightning: Phenomenology and Parameters Important for EMC Proceectngs. Аэо-Pacific Conference on Environment Elecfromagnefcs CEEM?2006. Vblcme 1 August 1-4, 2006 Dalian, Oiina P283-288. IS8N 1-4244-0183-6, IEEE Ccfalog Number Q6Ex 1306, Library of congress 2006920854

9 VARdeov.UmanMA RThatappi ReHewdlij^Thrigproperiesdeierrnredfcmetecftrlield crrd TV cbservofcns 1994JGeq^ysR» 9910,745-50

10. Б-Н-Горин и др. Удары мсгхии в Остаисиносую башню. Электричество №8, 1977

11. S.Guerrien е» al On the influence of elevaled strike objecis on direc#y measured and indiredfy esimated lightning currents. IEEE Trans On Power Delivery, vol. 13, 1998

12. lightning Return Strokes to Tal Takers: Modefing Characterization of the Srice Object and Extraction of Primary lightning Current Waveform. Recert Progress in Lightning Physcs 2005.

13. J-LBermudes etd Use of Geneic Algorithms to extod Primary lighting Current Parameters EMC Europe02, Sorrento. Italy, 2002.

14. EPKrider et al. Submicrosecond fields radiated during the onset of first return strokes in doud-to-ground lighting, 1996 J.Geophys. Res 1011589-97,

15. DOzan et al Response of Shielded cables to on External Electromagnetic Field Excitation. ModeSng and Experimental vctdation Ptoc. 13th Int. Zurich Symp. on EMC February, 1999

16. EPelache et al. Uc^tning-induaed Voltages in Buried Cables Part I: fieory IEEE Trans. On EMC V47 N* 3, Aug. 2005.

17. V.Cooray. Underground Electromagnetic Fields Generated by the Return Strokes of Ik^rtring Flashes. IEEE Trans. On EMC. Vo 43, pp. 75-84, 2001

18. DJBocdppio and oth Sprites, ELF transients and positive ground stroke. Science Vd 269, p 1088-1092. 1995

19. WO Schumarm On #re radiation free sdf-osdllation of о conducting sphere, which is surrounded by an air layer and an ionospheric shell Zeitschrifr fur Ncflurforschung Vbl7,p,l49-154 1952

20. Takuya Qsuyamo, Masashi Hayakawa. FDTD Analysis of ELF Wave Propagation for Realisbc Subionospheric Waveguide Models IEEJ Transactions on Fundamentals and Materials. Vd. 124. No 12 2004, p 1203-1209.

16

T-Comm, #8-2010