Молния как источник грозовых перенапряжений

Молния как источник грозовых перенапряжений. Молния представляет собой электрический разряд между облаком и землёй или между облаками. Молнии предшествует процесс накопления и разделения электрических разрядов в грозовых облаках, происходящий в результате возникновения в облаках мощных восходящих воздушных потоков и интенсивной конденсации в них водяных паров.

В средних широтах землю поражает 30-40% общего числа молний, остальные 60-70% составляют разряды между облаками или между разноименными частями облаков.

По мере концентрации в нижней части облака отрицательных зарядов увеличивается напряженность электрического поля, и когда она достигает критического значения (20-24 кВ/см в зависимости от высоты облака над землёй), происходит ионизация воздуха и в сторону земли начинает развиваться разряд.

На начальной стадии, называемой лидерной, молния представляет собой относительно медленно (со скоростью в среднем 1,5 м/с) развивающийся слабосветящийся канал (лидер). Зона ионизации лидера имеет избыточный заряд того же знака, что и облако. Заряды облака и лидера индуктируют на поверхности земли и на расположенных на ней объектах заряды другого знака. По мере продвижения лидера к земле индуктированный заряд и напряженность электрического поля на возвышающихся над поверхностью земли объектах возрастают и с них могут начать развиваться встречные лидеры, имеющие заряды, по знаку обратные заряду лидера. Ток в лидерной стадии имеет порядок десятков и сотен ампер.

Когда канал развивающегося от облака лидера приближается к земле или к одному из встречных лидеров, то между ними на расстоянии 25-100 м возникает высокая напряженность электрического поля, среднее значение которого оценивается в 10 кВ/см. Промежуток пробивается в несколько микросекунд, и в нем выделяется энергия порядка 0,5-5 МДж, которая расходуется на нагрев и термоионизацию. Проводимость в этой части канала резко возрастает, и зона повышенной напряженности перемещается по направлению к облаку со скоростью 1,5 до 1,5 м/с (0,05-0,5 скорости света). Процесс этот, называемый главным разрядом, сопровождается сильным свечением канала разряда. Ток в канале за 5-10 мкс достигает десятков и даже 1-2 сотен килоампер, а затем за время 25-200 мкс спадает до половины амплитудного значения. В течение очень короткого времени канал разряда разогревается до температуры 20-30 тыс. С.

В завершающей (финальной) стадии молнии по каналу в течение десятков миллисекунд проходит ток порядка десятков, сотен ампер. В это время нейтрализуются заряды облака. Часто на ток финальной стадии накладываются импульсы тока повторных разрядов, во время которых разряжаются на землю скопления зарядов, расположенные в разных местах по высоте грозового облака. Лидер повторных разрядов – так называемый стреловидный лидер – движется со скоростью, превышающей скорость лидера первого разряда и имеющий порядок м/с, поскольку он развивается уже по образованному каналу. Скорости нарастания тока главного разряда в повторных разрядах выше, чем в первом, а амплитуды ниже. Яркие вспышки канала при повторных разрядах воспринимаются как мерцание молнии.

В большинстве случаев молния состоит из 2-3 отдельных разрядов, однако наблюдались и с несколькими десятков компонентов. Такая многокомпонентная молния может длиться до 1 с. Чаще всего длительность удара молнии не превышает 0,1 с.