WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 12 04 Главная стадия разряда молнии: механизм и выходные характеристики © Г.Н. Александров Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия e-mail: georgiya@mail.ru; alexandrovgn@rambler.ru (Поcтупило в Редакцию 22 марта 2006 г.) Рассмотрены физические процессы разряда молнии. Установлена связь между основными физическими величинами, характеризующими процесс развития разряда молнии, и величиной и формой тока молнии.

Показано, что максимальное значение тока молнии пропорционально длине искрового канала, крутизна зависит только от физических постоянных искрового разряда, а длительность — также от плотности объемного заряда лидера.

PACS: 92.60.Pw, 52.80.Mg В [1,2] была рассмотрена физическая картина развития в лидерной форме. Соответственно начальная линейная искрового разряда в длинных воздушных промежутках плотность объемного заряда лидера (объемный заряд, и показана их аналогия с разрядом молнии. Механизм отнесенный к единице длины лидера) определяется средразвития разряда молнии следующий. Разряд развивает- ней напряженностью электрического поля в стримерах и ся в лидерной форме, представляющей собой последова- минимальной длиной стримеров лидера тельный ряд стримеров, сдвинутых один по отношению l min = 20Estrlstr min, (1) к другому в пространстве и во времени. В результате перемещения электронов вдоль последовательно где средняя напряженность поля положительных стриразвивающихся стримеров разогревается канал лидера + меров Estr = 500 kV/m и в отрицательных стримерах до нескольких тысяч градусов, что определяет возможEstr = 800 kV/m. Поэтому начальная плотность положиность продвижения искрового разряда через гигантские тельного объемного заряда составляет расстояния между грозовыми облаками и Землей (возвышающимися над Землей предметами). Перемещение 2 500 · 103 · 1.5 l+ = = 0.042 · 10-3 C/m.

электронов вдоль стримеров приводит к образованию min 4 9 · объемного заряда вокруг разогретого искрового канала, полярность которого соответствует знаку заряда облака. Для разогревания отрицательных стримеров необходима большая их полная длина, чем для положитель В настоящее время предложенный в [1,2] механизм ных стримеров, поскольку в отрицательных стримерах развития искрового разряда является общепринятым.

электроны движутся не по направлению к разогретому Однако до настоящего времени не был рассмотрен деканалу лидера, а от него к концу стримеров [2]. Избыток тально механизм нейтрализации объемного заряда лидеотрицательного заряда вокруг разогретого канала лидера ра молнии, создающий основной ток молнии, поскольку образуется вследствие повышения плотности отрицавремя нейтрализации объемного заряда лидера молнии тельных ионов, образуемых в результате перемещения на два порядка меньше его образования. Как правило, электронов к концу стримера. Поэтому продвижение рассматривается волновой процесс нейтрализации без лидера отрицательного разряда происходит четко выанализа происходящих при этом физических процесраженными ступенями с паузами, необходимыми для сов [3,4]. В настоящей статье предпринята попытка продвижения электронов примерно на 25% длины стриликвидации этого недостатка современного состояния меров [2]. Соответственно длина начальных стримеров теории молнии.

разряда отрицательной полярности вчетверо больше, При накоплении зарядов (положительных или отрицачем положительных, и начальная плотность объемного тельных) в облаке возрастает напряженность электричезаряда лидера равна ского поля до тех пор, пока не начинают развиваться ионизационные процессы в стримерной форме [1,2].

2 800 · 103 · l- = = 0.27 · 10-3 C/m.

Продолжающееся разделение зарядов в облаке под возmin 4 9 · действием восходящих потоков теплого воздуха приводит к удлинению стримеров. При достижении стримера- Продвижение лидера молнии по направлению к Земле ми длины, минимально необходимой для разогревания приводит к сокращению промежутка между концом части их канала до температуры термической ионизации лидера и Землей и соответственно к увеличению напрягаза ( 1.5m), начинается развитие искрового канала женности поля вблизи окончания лидера. Это приводит 102 Г.Н. Александров электромагнитные процессы, эта волна нейтрализации распространяется вдоль искрового канала со скоростью света, достигая заряженного центра облака (ЗЦО) за время Hl Tem =. (4) Нейтрализация объемного заряда завершилась бы за это время, если бы весь нейтрализующий заряд мог разместиться в пределах проводящего канала, диаметр которого на момент начала процесса нейтрализации составляет около 4 cm. Поскольку, по данным [5], средняя линейная плотность объемного заряда отрицательного лидера составляет около 1.5 · 10-3 C/m, а при положительном разряде еще больше, размещение всего нейтрализующего заряда противоположного знака в проводящем канале невозможно, так как при этом напряженность поля на поверхности канала достигла бы l 4 9 · 109 · 1.5 · 10-Ech = = = 1.35 · 109 V/m, 20rch 2 · 0.что невозможно. Поэтому по мере распространения волны нейтрализации по проводящему каналу от Земли Рис. 1. Схематическая картина развития лидерного процесса к ЗЦО с поверхности канала начинают развиваться между заряженным центром облака и Землей при различных стримеры, полярность которых противоположна порасстояниях между ЗЦО и Землей: при минимальном расстоялярности разряда молнии (объемного заряда). И чем нии (a) и при увеличенном (b).

выше поднимается электромагнитная волна нейтрализации, тем больше стримеров включается в процесс нейтрализации объемного заряда лидера. Максимальное к удлинению стримеров и расширению области объемколичество стримеров начинает участвовать в процессе ного заряда лидера, а в конечном счете к увеличению нейтрализации объемного заряда лидера при достижепогонной плотности объемного заряда вокруг канала нии электромагнитной волны нейтрализации ЗЦО [6].

лидера (объемного заряда на единицу длины канала При отрицательном разряде молнии в проводящий канал лидера), что иллюстрируется рис. 1. При этом большее начинает поступать максимальное количество электроколичество стримеров, непрерывно развивающихся при нов из положительных стримеров, нейтрализующих отположительном лидере один за другим [1], приводит к рицательный объемный заряд лидера. Соответственно по накоплению большего объемного заряда, чем при отпроводящему каналу начинает протекать максимальный рицательном лидере [2]. Длина положительного разряда ток молнии.

молнии, возникающей в верхних областях облака, как При положительном разряде молнии, напротив, по правило, больше, чем отрицательного разряда, происходостижении электромагнитной волной нейтрализации дящего из нижних и средних областей грозового облака.

ЗЦО максимальное количество электронов начинает В линейном приближении средняя погонная плотность поступать в отрицательные стримеры, нейтрализующие объемного заряда лидера может быть выражена зависиположительный заряд лидера молнии, что эквивалентно мостью протеканию положительного тока молнии по проводяl = l min + k Hl, (2) щему каналу.

где k — коэффициент, зависящий от полярности разря- Следовательно, время нарастания тока молнии, или да, Hl — длина канала лидера (с учетом его извилисто- длительность фронта импульса тока молнии, определяетсти). ся временем распространения электромагнитной волны Согласно (1), средняя длина стримеров, формирую- вдоль проводящего канала молнии [6], согласно соотнощих объемный заряд лидера молнии, равна шению (4).

Минимальная высота грозовых облаков над поверхl l min + k Hl lstr = = (3) ностью Земли составляет 600 m, поэтому минимальная 20Estr 20Estr длина фронта тока молнии и составляет десятки метров.

Резкое понижение потенциала канала лидера при Tf = Tem = = 2 · 10-6 s.

3 · завершении его развития у поверхности Земли приводит к распространению вдоль плазменного искрового кана- С учетом извилистости искрового канала реальная мила электромагнитной волны нейтрализации. Как и все нимальная длина фронта тока молнии — 2.5-3 µs. Все Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. Главная стадия разряда молнии: механизм и выходные характеристики опубликованные данные относительно меньших длин фронтов токов молнии следует отнести к ошибкам измерительной техники.

Наиболее вероятная длина разряда молнии — 2-3km [7–10], что определяет вероятную длительность фронта тока молнии Tf = 6.7-10 µs. Максимальная высота грозовых облаков — 10 km, поэтому максимальная длительность фронта тока молнии составляет 33 µs, а Рис. 2. Типовая форма тока молнии: Te,up, Te и Te,d — с учетом извилистости проводящего канала молнии — время перемещения электронов в верхних, средних и нижних до 40 µs. Поскольку из верхней части грозовых облаков стримерах, образованных в стадии нейтрализации объемного развиваются, как правило, положительные разряды, тазаряда лидера.

кая длительность фронтов токов молнии характерна для этого вида молний.

Ток нейтрализации протекает до тех пор, пока не будет нейтрализован весь объемный заряд лидера молВремя устранения электронов из положительных нии. Следовательно, время протекания тока молнии стримеров, нейтрализующих объемный заряд лидера отопределяется временем перемещения электронов по рицательного разряда молнии, с учетом соотношения (3) стримерам, нейтрализующим объемный заряд лидера.

равно Длина стримеров, образующих объемный заряд лиде+ - ра, определяется соотношением (3). Длина стримеров, lstr lstr Estr lTe- = = = - + нейтрализующих объемный заряд лидера, меньше по e e - + Estr 20e(Estr + Estr) Estr + той причине, что для развития стримера необходима указанная выше напряженность электрического поля. 4 9 · 109l= = 0.092l-, (9) Следовательно, для создания напряженности поля, до2 1.5 · 105 · 1300 · статочной для развития стримеров нейтрализации в области, занятой объемным зарядом противоположного где e 1.5 · 105 m/s — скорость перемещения электрознака, плотность нейтрализующего заряда должна быть нов в стримерах.

больше плотности нейтрализуемого заряда лидера, чтоЭто время Te- определяет максимальный ток молнии, бы напряженность поля в области развития стримеров который нейтрализует объемный заряд лидера молнии была достаточной для развития стримеров нейтрали(рис. 2):

зации. Поэтому плотность положительного объемного заряда, образуемого в стадии нейтрализации объемного Q- = l-Hl = I- Tem + I- Te,up l max max заряда отрицательного разряда молнии, равна - + Estr + Estr + I- Te- - Te,up - Tem = I- Te-, (10) n+ = l-, (5) max max Estr но так как нейтрализующий заряд должен быть ра- откуда максимальное значение тока молнии вен нейтрализуемому объемному заряду лидера, длина Qстримеров, нейтрализующих заряд, должна быть меньше l - + I- = = 20e(Estr + Estr)Hl max длины стримеров лидера lstr.l в отношении Tel- Estr 2 1.5 · 105 · 1300 · + - lstr.n = lstr.l = lstr,l - +. (6) = Hl = 10.8Hl. (11) n+ Estr + Estr 4 9 · Соответственно плотность отрицательного объемного При положительном разряде молнии электроны в заряда, образуемого в стадии нейтрализации объемного отрицательных стримерах не могут продвинуться на заряда положительного разряда молнии, равна полную длину из-за накопления отрицательных ионов - + в окончании стримеров. Следовательно, для создания Estr + Estr n- = l+, (7) + избыточного отрицательного заряда по всей длине отEstr рицательных стримеров, соответствующего содержанию и длина отрицательных стримеров, нейтрализующих электронов в момент окончания развития стримеров, положительный заряд лидера, равна переходящие из проводящего искрового канала в стри+ меры электроны должны продвинуться только на поl+ Estr - + + lstr.n = lstr.l = lstr.l - +, (8) ловину длины стримера. Поэтому время перемещения n- Estr + Estr электронов вдоль стримеров, определяющих время нейт+ где lstr.l — длина стримеров положительного лидера рализации объемного заряда лидера и соответственмолнии. но длительность протекания тока молнии, определится Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 104 Г.Н. Александров соотношением (8): стримерах. Поэтому попытки оценки длительности импульсов тока молнии по длительности распространения - + + lstr,n lstr.n Estr свечения в главной стадии развития разряда молнии Te+ = = 2e 2e - + Estr несостоятельны [7–10].

Estr + Сопоставление полученных оценок параметров токов l+ молнии положительной и отрицательной полярности = = 0.046l+. (12) - + 40e(Estr + Estr) позволяет сделать вывод о том, что токи положительной полярности могут быть существенно больше, чем при Максимальный за время нейтрализации ток положиотрицательной полярности разряда, и при максимальтельного разряда молнии при объемном заряде лидера ной высоте ЗЦО (10 km) могут достигать 400 kA и Q+ = l+Hl составляет l более (принимая во внимание извилистость искрового канала). Экспериментальные данные подтверждают этот Q+ l - + I+ = = 40e(Estr + Estr)Hl = 21.7Hl, (13) вывод [5].

max Te+ При ударе молнии в Землю с высоким сопротивлеследовательно, ток молнии зависит только от длины ка- нием грунта либо в заземленные предметы с большим нала лидера и полярности разряда. При положительном сопротивлением заземления картина развития разряразряде молнии максимальное значение тока в два раза да изменяется. Действительно, при токе молнии побольше, чем в случае отрицательного при одинаковой рядка десятков килоампер напряжение на сопротивдлине канала лидера. лении заземления может достигать миллионов вольт.

Крутизна импульсов тока молнии на их фронте опре- Например, при ударе молнии в грозозащитный трос деляется соотношениями при отрицательной полярности с волновым сопротивлением 400 при токе молмолнии с учетом (4), (12) нии 30 kA потенциал троса в месте удара составит Uw = 30 · 103 · 400 · 0.5 = 6000 kV. Соответственно увеImax + - личивается потенциал проводящего канала молнии и a- = = 20e(Estr + Estr) =3.25 · 109 A/s (14) Tem уменьшается разность потенциалов между объемным зарядом лидера и проводящим каналом молнии, что и при положительной полярности молнии согласприводит к уменьшению тока молнии. Однако, поскольку но (4), (13), нейтрализуемый объемный заряд не зависит от сопротивления заземления, это приводит к увеличению I+ max + a+ = = 40e(Estr + Estr) =6.5 · 109 A/s. (15) длительности протекания тока молнии. Поэтому связь Tem между током молнии при нулевом сопротивлении заземления и при значительном эквивалентном сопротивлеКак видно из соотношений (14) и (15), крутизна нии заземления может быть оценена по формуле тока молнии определяется только тремя параметрами:

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.