Техника - молодёжи 1997-09, страница 8

ПРОБЛЕМЫ

ПОИСКИ

di1cddlic после =

Dl lErDDlE ФРАНКЛИНА:

УНИВЕРСАЛЬНЫМ МОЛНИЕОТВОД

Незаметно бежит время! Четверть тысячелетия уже прошла с тех пор, как М.В.Ломоносов и Г.Рихман в Санкт-Петербурге, Б.Франклин в Филадельфии и Ж.Делибар в Версале установили, что молния (тогда имелась в виду лишь обычная, линейная) имеет электрическую природу. Немногим моложе и средство защиты от нее — изобретенный в 1775 г. тем же Франклином «громоотвод» (на самом деле, конечно, молниеотвод) — обыкновенный, хорошо заземленный металлический стержень, острый конец которого поднят на достаточную высоту.

И как ни странно, это примитивное защитное устройство осталось единственным до наших дней. Причем за истекшие века никто так и не удосужился провес и хоть какую-то количественную оценку его реальной «предохранительной эффективности». Между тем отлично известно, что она весьма и весьма далека от 100%... От обычных линейных молний (ЛМ) горят нефтехранилища, склады и дома с установленными на них молниеотводами, гибнут самолеты и — ежегодно! — десятки тысяч человек.

Еще хуже обстоят дела с защитой сооружений, техники и людей от шаровых молний (ШМ), с их совершенно непредсказуемыми поражающими факторами и поведением, в том числе способностью проникать внутрь помещениий.

...4 августа 1984 г., в 16 ч 38 мин над местом дислокации одного из ракетных комплексов «Пионер» (СС-20) в предгрозовой обстановке появился огненный шар красно-синего цвета диаметром около 25 см. Приблизившись к установкам, развернутым на боевой позиции, минуя штатные молниеотводы, шар взорвался с оглушительным треском. Ряд агрегатов и систем комплекса вышел из строя, а несколько человек личного состава получили травмы различной тяжести от удара электрическим током. Техника, защищенная от поражения линейными молниями, оказалась совершенно беззащитной перед воздействием шаровой. Подобных случаев, в том числе именно в войсковых частях, можно привести очень много.

...Инженер из города Тольятти Юрий Ба-дьин полагает, что нашел разгадку таинственной гибели аэробуса А-310 под Между-реченском. Согласно его теоретическим выводам, самолет погубила шаровая молния.

...Сущ эствует предположение, что одной из причин всемирно известной трагедии 1986 г. на Чернобыльской АЭС была опять-таки ШМ.

О других, порой всего лишь причудливых, но часто и трагических последствиях появления ШМ можно найти обширную информацию, например, в книгах И.П.Стаханова, Б.М.Смирнова, С.Сингера и Дж.Барри. Из них же следует, что от поражения объектов и проникновения в них ШМ никакой защиты так и не придумано.

Очевидно, что надежно обезопасить себя как от линейной, так и от шаровой мол

нии нам удастся, лишь точно выяснив, от чего, собственно, следует защищаться. Причем важно не только детально разобраться в механизмах обоих явлений, но и сравнить их между собой, чтобы понять — нет ли между ними чего-то общего, то есть возможна ли защита от них с помощью единого, универсального устройства, или придется придумывать два отдельных?

ЛИНЕЙНЫЕ МОЛНИИ: ВИНОВНИК — ЛИВЕНЬ

На наш взгляд, наиболее полную теорию образования ЛМ, основанную на твердо установленных экспериментальных фактах, к тому же впервые объясняющую целый ряд дотоле непонятных особенностей их зарождения и развития, удалось создать заведующему одно о из подразде лений Центральной аэрологической лаборатории к.т.н. В.Н.Ермакову.

Согласно его концепции, первопричинои возникновения линейных молний становятся так называемые широкие атмосферные ливни (ШАЛ), инициируемые в атмосфере космическими частицами сверхвысоких энергий (порядка 10 эВ и более), приходящими из глубин Космоса равномерно со всех направлений. На каждый квадратный сантиметр земной поверхности их приходится 2-3 штуки ежесекундно. Взаимодействуя на своем пути с ядрами атомов атмосферных газов, некоторые из них и порождают ШАЛ — поток новых высокоэнергетических частиц в количествах от сотен тысяч до миллиарда.

По оценкам Ермакова, в слое атмосферы, находящемся_гнад поверхностью Земли площадью в 1 км , ежесекундно возникает около трех ливней. Как видим, по отноше-¹ нию к общему количеству приходящих космических частиц процент возникающих ШАЛ ничтожен. Но зато это происходит на всех географических широтах, в любое время суток и года, при любой погоде и независимо от облачности. Центры ливней располагаются на разных высотах в зависимости от энергии первичной частиць|₆ Напр^ер, при величинах энергий от 10 до 10 эВ ШАЛ возникают на высотах от 6 до 1 км соответственно.

В безоблачной атмосфере ливень вызывает всего лишь незначительное локальное изменение концентраций положительных и отрицательных ионов в воздухе. Иное дело — образование ШАЛ в облаке. «Обработанное» таким способом, оно может стать грозовым, то есть способным порождать молнии. Поскольку последние суть электрические разряды, для их возникновения в облаке должно происходить пространственное разделение заряженных частиц.

Механизм этого разделения установил относительно недавно В.В.Клинко из Главной геофизической обсерватории. Водяные капельки в облаке могут иметь или приобрести некоторый избыточный заряд, как положительный, так и отрицательный. Так вот, оказывается, что первые замерза

ют при более высоких температурах, то есть раньше, чем вторые. Возникает ситуация, когда «плюсы» находятся на льдинках, снежинках крупе или градинах, а «минусы» — на жидких каплях. Но поскольку замерзшие частицы обычно содержат воздушные включения, их плотность в несколько раз меньше, чем у капель, а потому и падают они значительно медленнее. И получается, что постоянно идущии в облаке процесс пространственного разделения твердых и жидких частиц одновременно разделяет и заряды «положительные» снежинки, крупа и т.п. отстают в падении и остаются вверху, а «отрицательные» капельки обгоняют их и концентрируются ниже.

В результате в облаке формируются разноименно заряженные слои, а между ними, естественно, возникает электрическое поле, напряженность которого увеличивается по мере разделения зарядов. Однако дорасти до величины пробоя воздуха, то есть до 30 кВ/см, она никогда не успевает — это надежно установлено летающими лабораториями.

Отчего же тогда возникает электрический разряд, то есть молния? Как выяснилось, ее «спусковым механизмом» и становятся широкие атмосферные ливни. Выш^ упоминалось, что над площадью в 1 км рождается около трех ШАЛ в секунду. Таким образом, учитывая обычные размеры облака, можно сказать, что хоть один ливень присутствует в нем практически всегда. А каждый из них образует в воздушной среде своеобразное проводящее дерево с огромным количеством «ветвей» — ионизированных треков (следов) частиц высоких энергий.

Так вот, по этим каналам разряд способен проскочить при гораздо меньшей напряженности электрического поля в облаке — всего лишь 2-3 кВ/см. Скорость его распространения — примерно такая же, как у ливневых частиц (почти сравнимая с величиной скорости света в вакууме); сами же заряды, физически переносимые молнией, движутся в каналах на 2-3 порядка медленнее.

Известно, что молнии далеко не всегда ударяют в землю; наоборот — гораздо чаще они остаются внутри облака. Это целиком зависит от длины созданных ливнем проводящих каналов. Достаточно мощный ШАЛ порождает дерево, достающее своими ветвями до земной поверхности — и тогда наблюдается молния первого типа. Правда, тут есть дополнительное условие: поверхность под облаком должна обладать достаточной проводимостью. Ливень послабее вызывает лишь внутриоблачный разряд. Но в любом случае после удара молнии часть объемных зарядов, накопленных облаком, нейтрализуется, и напряженность поля в нем падает. А поскольку пространственное разделение зарядов идет непрерывно, она тут же начинает снова расти, снова достигает 2-3 кВ/см, и цикл повторяется.

Напомним также, что и сами молнии «об

ТЕХНИКА-МОЛОДЕЖИ

6

9 97