Гроза - это природное явление. Развитие, классификация, активность грозы. Стадии развития грозового облака Средняя интенсивность грозовых разрядов

Ввиду совершенной непредсказуемости и огромной мощности молний (грозовых разрядов), они представляют потенциальную опасность для многочисленных энергообъектов. Современная наука накопила большой объём теоретической информации и практических данных о грозозащите и грозовой деятельности, и это позволяет решать серьезные задачи, связанные с молниезащитой промышленной и гражданской энергетической инфраструктуры. В данной статье рассматривается физическая природа грозовых явлений и поведение молний, знание которых будет полезно для обустройства эффективной грозозащиты и создания комплексной системы заземления электрических подстанций.

Природа молнии и грозовые облака

В тёплый сезон в средних широтах во время движения циклона, при достаточной влажности и сильных восходящих потоках воздуха, часто происходят грозовые разряды (молнии). Причина этого явления природы заключается в огромной концентрации атмосферного электричества (заряженных частиц) в грозовых облаках, в которых при присутствии восходящих потоков, происходит разделение отрицательных и положительных зарядов с накоплением заряженных частиц в различных частях тучи. Сегодня существует несколько теорий, касающихся атмосферного электричества и электризации грозовых облаков, как важнейших факторов, оказывающих непосредственное влияние на проектирование и создание комплексной грозозащиты и заземления энергообъектов.

По современным представлениям образование заряженных частиц в облаках связано с наличием у Земли электрического поля, имеющего отрицательный заряд. Вблизи поверхности планеты напряжённость электрического поля равняется 100 В/м. Эта величина практически везде одинакова, не имеет зависимости от времени и места проведения измерений. Электрическое поле Земли обусловлено наличием в атмосферном воздухе свободных заряженных частиц, которые находятся в постоянном движении.

Например, в 1 см3 воздуха насчитывается более 600 положительно заряженных частиц и такое же количество отрицательно заряженных частиц. При удалении от земной поверхности в воздухе резко возрастает плотность частиц, имеющих заряд. Вблизи от земли электрическая проводимость воздуха ничтожно мала, но уже на высотах более 80 км электропроводимость возрастает в 3 000 000 000 (!) раз и становится равной проводимости пресной воды. Если провести аналогии, то в первом приближении нашу планету можно сравнить с огромным конденсатором в форме шара.

При этом в качестве обкладок принимается поверхность Земли и воздушный слой, сосредоточенный на высоте восьмидесяти километров над земной поверхностью. В качестве изолятора выступает часть атмосферы толщиной 80 км, которая обладает низкой электропроводностью. Между обкладками виртуального конденсатора возникает напряжение до 200 кВ, а сила тока может составить до 1 400 А. Подобный конденсатор обладает невероятной мощностью – порядка 300 000 кВт (!). В электрическом поле планеты, на высоте между 1 и 8 километрами от уровня земной поверхности, конденсируются заряженные частицы и возникают грозовые явления, которые ухудшают электромагнитную обстановку и являются источником импульсных помех в энергетических системах.

Грозовые явления классифицируют на фронтальные и тепловые грозы. На Рис. 1 показана схема появления тепловой грозы. В результате интенсивного облучения солнечными лучами разогревается земная поверхность. Часть тепловой энергии переходит в атмосферу и нагревает её нижние слои. Тёплые воздушные массы расширяются и поднимаются выше. Уже на высоте двух километров они достигают области пониженных температур, где происходит конденсация влаги и возникают грозовые облака. Эти облака состоят из микроскопических капель воды, несущих на себе заряд. Как правило, грозовые облака образуются в жаркие летние дни в послеобеденное время и обладают сравнительно небольшими размерами.

Фронтальные грозы образуются при условиях, когда сталкиваются фронтальными частями два воздушных потока с разной температурой. Поток воздуха с пониженной температурой опускается вниз, ближе к земле, а теплые воздушные массы устремляются ввысь (Рис. 2). Грозовые облака формируются на высотах с пониженной температурой, где происходит конденсация влажного воздуха. Фронтальные грозы могут имет довольно большую протяженность и охватывать значительную площадь.

При этом фоновая электромагнитная обстановка заметно искажается, наводя импульсные помехи в электрических сетях. Такие фронта движутся со скоростью от 5 до 150 км/час и выше. В отличие от тепловых, фронтальные грозы активны практически круглосуточно и представляют серьезную опасность для промышленных объектов, которые не оснащены системой молниезащиты и эффективным заземлением. При конденсации в электрическом поле холодного воздуха образуются поляризованные водяные капли (Рис. 3): в нижней части капель находится положительный заряд, в верхней - отрицательный.

За счет восходящих потоков воздуха происходит разделение водяных капель: более мелкие поднимаются вверх, а крупные падают ниже. При движении капли вверх отрицательно заряженная часть капли притягивает положительные заряды и отталкивает отрицательные. В итоге, капля становится положительно заряженной т.к. постепенно собирает положительный заряд. Капли, которые падают вниз, притягивают к себе отрицательные заряды и в процессе падения оказываются отрицательно заряженными.

Аналогично происходит деление заряженных частиц в грозовом облаке: в верхнем слое накапливаются положительно заряженные частицы, в нижнем – с отрицательно заряженные. Грозовое облако практически не является проводником, и по этой причине в течение некоторого времени заряды сохраняются. Если более сильное электрическое поле облака будет оказывать действие на электрическое поле "ясной погоды" ,то оно изменит своё направление в месте расположения (рис. 4).

Распределение заряженных частиц в облачной массе крайне неравномерно:
в отдельных точках плотность имеет максимальное значение, а в других – небольшую величину. В месте скопления большого количества зарядов и образуется сильное электрическое поле с критической напряжённостью порядка 25-30 кВ/см, возникают подходящие условия для образования молний. Грозовой разряд молнии подобен искре, наблюдаемой в промежутке между электродами, хорошо проводящими электричество.

Ионизация атмосферного воздуха

Атмосферный воздух состоит из смеси газов: азота, кислорода, инертных газов и водяных паров. Атомы этих газов объединяются в прочные и устойчивые связи, образуя молекулы. Каждый атом – это ядро из протонов, имеющее положительный заряд. Вокруг ядра вращаются электроны, обладающие отрицательным зарядом («электронное облако»).

В количественном соотношении заряд ядра и суммарный заряд электронов равны друг другу. При ионизации электроны покидают атом (молекулу). В процессе атмосферной ионизации образуются 2 заряженные частицы: положительный ион (ядро с электронами) и отрицательный ион (свободный электрон). Как и многие физические явления, ионизация требует некоторого количества энергии, называемой энергией ионизации воздуха.

Когда в воздушном слое, образованном 2 проводящими электродами, возникнет достаточное напряжение, то все свободные заряженные частицы под влиянием напряженности электрического поля начнут упорядоченное движение. Масса электрона многократно (в 10 000 ... 100 000 раз) меньше массы ядра. Вследствие этого при движении свободного электрона в электрическом поле воздушного слоя, скорость этой заряженной частицы гораздо больше скорости ядра. Обладая значительным импульсом, электрон легко отрывает от молекул новые электроны, тем самым делая ионизацию более интенсивной. Данное явление носит название ударной ионизации (Рис. 5).

Однако не при каждом столкновении происходит отрыв электрона от молекулы. В некоторых случаях электроны переходят на неустойчивые орбиты, удалённые от ядра. Такие электроны получают часть энергии от столкнувшегося электрона, что приводит к возбуждению молекулы (Рис. 6.).

Период «жизни» возбужденной молекулы составляет всего 10-10 секунды, после чего электрон возвращается на прежнюю, более устойчивую в энергетическом плане орбиту.

Когда электрон возвращается на стабильную орбиту возбужденная молекула излучает фотон. Фотон, в свою очередь, при определенных условиях может ионизировать другие молекулы. Этот процесс был назван фотоионизацией (Рис. 7). Также имеются другие источники фотоионизации: космические лучи высокой энергии, ультрафиолетовые световые волны, радиоактивное излучение и др. (Рис. 8).

Как правило, ионизация молекул воздуха происходит при высоких температурах. При повышении температуры молекулы воздуха и свободные электроны, участвующие в тепловом (хаотическом) движении, приобретают более высокую энергию и чаще сталкиваются друг с другом. Результатом подобных столкновений является ионизация воздуха, называемая термоионизацией. Однако могут происходить и обратные процессы, когда заряженные частицы нейтрализуют собственные заряды (рекомбинация). В процессе рекомбинации отмечается интенсивное излучение фотонов.

Образование стримеров и коронного разряда

Когда в воздушном промежутке между заряженными пластинами напряжённость электрического поля увеличивается до критических величин, возможно развитие ударной ионизации, которая является частой причиной импульсных высокочастотных помех. Её суть заключается в следующем: после ионизации электроном одной молекулы возникают два свободных электрона и один положительный ион. Последующие столкновения приводят к появлению 4-х свободных электронов и 3-х ионов с положительным зарядом.

Таким образом, ионизация принимает лавинообразный характер, что сопровождается образованием огромного количества свободных электронов и положительных ионов (Рис. 9 и 10). Положительные ионы накапливаются около отрицательного электрода, а отрицательно заряженные электроны перемещаются к положительному электроду.

В процессе ионизации свободные электроны приобретают большую подвижность по сравнению с ионами, поэтому последние можно условно считать неподвижными частицами. При переходе электронов к положительному электроду, оставшиеся положительные заряды оказывают сильное влияние на состояние электрического поля, тем самым приводя к росту его напряжённости. Большое количество фотонов ускоряет ионизацию воздуха около анода и способствует возникновению вторичных электронов (Рис.11), которые являются источниками повторных лавин (Рис.12).

Возникшие вторичные лавины движутся к аноду, где сконцентрирован положительный заряд. Свободные электроны прорываются сквозь положительный объемный заряд, приводя к образованию довольно узкого канала (стримера), в котором находится плазма. За счёт отличной проводимости стример «удлиняет» анод, при этом процесс образования лавин свободных электронов ускоряется и происходит дальнейший рост напряженности электрического поля (Рис. 13 и 14), движущихся по направлению к головной части стримера. Дополнительные электроны перемешиваются с положительными ионами, вновь приводя к образованию плазмы, благодаря которой удлиняется канал стримера.

Рис. 13. Рост напряженности электрического поля сопровождается усилением фотоионизации и порождает новые лавины заряженных частиц

После заполнения стримером свободного промежутка, начинается искровая стадия разряда (Рис. 15), характеризующаяся сверхмощной термоионизацией пространства и ультрапроводимостью плазменного канала.

Описанный процесс образования стримера справедлив для небольших промежутков, характеризующихся однородным электрическим полем. Однако по своей форме все электрические поля разделяются на однородные, слабонеоднородные и резконеоднородные:

В пределах однородного электрического поля напряженность вдоль силовых линий характеризуется постоянной величиной. Как например, электрическое поле в средней части плоского конденсатора типа.
В слабонеоднородном поле значения напряженности, измеренные вдоль силовых линий, отличаются не более чем 2 ...3 раза, подобное поле принято считать слабонеоднородным. Например, электрическое поле между 2-мя разрядниками шаровидной формы или электрическое поле, возникающее между оболочкой кабеля экранированного и его жилой.
Электрическое поле называется резконеоднородным, если оно характеризуется значительным скачками напряженности, что приводит к серьёзному ухудшению электромагнитной обстановки. В промышленных электроустановках, как правило, электрические поля имеют резконеоднородную форму, что требует проверки устройств на электромагнитную совместимость.

В резконеоднородном поле ионизационные процессы собираются рядом с положительным или отрицательным электродом. Поэтому разряд не может достичь искровой стадии и в этом случае заряд формируется в виде короны ("коронный разряд"). При дальнейшем увеличении напряжённости электрического поля в воздушном промежутке формируются стримеры и возникает искровой разряд. Так, если длина промежутка составляет один метр, то искровый разряд возникает при напряженности поля, составляющей около 10 кВ/см.

Лидерная форма грозового разряда

При размерах воздушного промежутка, составляющих несколько метров, формирующиеся стримеры не имеют достаточной проводимости для развития полноценного разряда. По ходу движения стримера образуется грозовой разряд, принимающий лидерную форму. Часть канала, называемая лидером, заполняется термически ионизированными частицами. В канале лидера конценрируется значительное количество заряженных частиц, плотность которых гораздо выше, среднего по стримеру. Это свойство обеспечивает хорошие условия для формирования стримера и преобразования его в лидер.

Рис. 16. Процесс движения стримера и возникновения отрицательного лидера (AB – начальная лавина; CD – образовавшийся стример).

На Рис. 16 продемонстрирована классическая схема возникновения отрицательного лидера. Поток свободных электронов движется от катода к аноду. Заштрихованными конусами показаны образовавшиеся лавины электронов, а в виде волнистых линий показаны траектории излученных фотонов. В каждой лавине при соударениях электронов воздух ионизируется, при этом образующиеся фотоны в дальнейшем ионизируют другие молекулы воздуха. Ионизация принимает массовый характер и многочисленные лавины сливаются в один канал. Скорость фотонов - 3*108 м/с, а скорость свободно движущихся электронов во фронтальной части лавины равняется 1,5*105 м/с.

Развитие стримера происходит быстрее, чем продвижение лавины из электронов. На Рис. 16 показано, что за время прохождения первой лавиной расстояния AB, на отрезке CD формируется канал стримера с ультрапроводимостью по всей длине. Стандартный стример движется со средней скоростью 106-107 м/с. Если свободные электроны имеют достаточно высокую концентрацию, в канале стримера возникает интенсивная термическая ионизация, которая приводит к появлению лидера – линейной структуры с плазменной составляющей.

В процессе движения лидера в его концевой части образуются новые стримеры, которые в дальнейшем тоже переходят в лидер. На Рис. 17 представлено развитие отрицательного лидера в воздушном промежутке с неоднородным электрическим полем: лидер движется по каналу стримера (Рис. 17а); после того, как завершается превращение канала стримера в лидер, возникают новые лавины.

Рис. 17. Схема образования и развития отрицательного лидера на протяжённом промежутке.

Электронные лавины передвигаются по всему воздушному промежутку (Рис. 17б) и образуется новый стример (Рис. 17в). Как правило, стримеры движутся по случайным траекториям. При таком формировании молниевого разряда в протяженных воздушных промежутках даже при небольших напряжённостях электрического поля (от 1 000 до 2 000 В/см) лидер быстро проходит значительные расстояния.

При достижении лидером противоположного электрода, завершается лидерная стадия грозового разряда и берёт начало стадия обратного (главного) разряда. При этом от поверхности земли по каналу лидера распространяется электромагнитная волна, благодаря которой потенциал лидера снижается до нулевого значения. Таким образом, между электродами формируется сверхпроводящий канал, через который проходит грозовой разряд.

Стадии развития грозового разряда

Условия для возникновения молнии образуются в той части грозового облака, где скопление заряженных частиц и напряжённость электрического поля достигли пороговых значений. В этой точке развивается ударная ионизация и образуются лавины электронов, затем под влиянием фото- и термоионизации возникают стримеры, превращающиеся в лидеры.

а – визуальное отображение; б – токовая характеристика.

Протяженность молнии составляет от сотни метров и может доходить до нескольких километров (средняя длина грозового разряда – 5 км). Благодаря лидерному типу развития молния способна проходить значительные расстояния в течение доли секунды. Человеческий глаз видит молнию в виде непрерывной линии, состоящей из одной или нескольких ярких полос белого, светло-розового или ярко-голубого цвета. По факту, грозовой разряд – это несколько импульсов, включающихет две стадии: лидерную и стадию обратного разряда.

На Рис. 18 показана развертка грозовых импульсов по времени, на которой виден развивающийся в форме ступеней разряд лидерной стадии первого импульса. В среднем, линия ступени равняется пятидесяти метрам, а задержка между соседними ступенями доходит до 30-90 мкс. Средняя скорость распространения лидера составляет 105...106 м/с.

Ступенчатая форма развития лидера объясняется тем, что для образования ведущего стримера требуется некоторое время (пауза между ступенями). Последующие импульсы движутся по ионизированному каналу и обладают ярко-выраженной стреловидной формой лидерной стадии. После достижения лидером 1-го импульса поверхности земли возникает ионизированный канал, по которому движется заряд. В этот момент начинается 2-я стадии грозового разряда (обратный разряд).

Главный разряд виден в форме непрерывной яркосветящейся линии, пронзающей пространство между грозовыми облаками и землей (линейная молния). После достижения главным разрядом облака, уменьшается свечение плазменного канала. Данная фаза получила название послесвечение. В одном грозовом разряде отмечается до двадцати повторных импульсов, а продолжительность самого разряда доходит до 1 и более секунды.

В четырёх из десяти случаев наблюдается многократный грозовой разряд, являющийся причиной импульсных помех в энергетических сетях. В среднем отмечается 3...4 импульса. Природа повторных импульсов связана с постепенным притоком оставшихся зарядов в грозовом облаке к плазменному каналу.

Избирательное действие грозового разряда

Когда лидерный канал только начинает развиваться напряженность электрического поля в его головной части определяется объёмом заряда лидера и скоплениями объемных заряженных частиц, находящихся под грозовым облаком. Приоритетное направление разряда зависит от максимальных напряженностей электрического поля. На значительной высоте данное направление определяется только каналом лидера (рис. 19).

При движении лидерного канала грозового разряда в сторону земной поверхности его электрическое поле искажается полем земли и массивных наземных энергообъектов. Максимальные значения напряженности и направление распространения лидера молнии определяются как его собственными зарядами, так и зарядами, сконцентрированными на земле, а также на искусственных сооружениях (Рис. 20).

Высота Н головки лидера над земной поверхностью, на которой проявляется существенное влияние на электрическое поле лидера полей зарядов, накопившихся в значительном количестве на земле и на энергообъектах, способное изменить направление движения лидера, называется высотой ориентирования грозового разряда.
Чем больше электрических зарядов находится в канале лидера, тем на большей высоте может проявиться изменение траектории движения молнии.

На Рис.21 представлено движение главного разряда от земной поверхности к грозовому облаку и распространение лидера по направлению к земле (ровная поверхность).

При движении грозового разряда в сторону высотного наземного сооружения (опора ЛЭП или вышка) навстречу лидерному разряду, распространяющемуся из грозового облака к поверхности земли, от наземной опоры развивается встречной лидер (Рис. 22.). При этом главный разряд возникает в точке соединения лидеров и движется в обоих направлениях.

Рис. 22. Развитие лидерной стадии (верх) и стадии главного разряда (низ) при ударе грозового разряда в металлическую опору

Процесс формирования молнии показывает, что конкретное место попадания грозового разряда определяется на лидерной стадии. Если прямо под грозовым облаком будет находиться высотное наземное сооружение (например, телевизионная башня или опора линии электропередач), то формирующийся лидер будет двигаться по направлению к земле по самому короткому пути, то есть навстречу лидеру, которые распространяется вверх от наземного сооружения.

Исходя из практического опыта, можно заключить, что чаще всего молния попадает в те энергообъекты, которые имеют эффективное заземление и хорошо проводят электричество. При равной высоте, грозовой разряд ударяет в тот объект, который имеет более качественное заземление и высокую электрическую проводимость. При различной высоте энергообъектов и если грунт рядом с ними также имеет различное удельное сопротивление, возможно попадание молнии в более низкий объект, расположенный на грунте с лучшей проводимостью (рис. 23).

Рис. 23. Избирательная поражаемость грозовых разрядов: грунт с высокой электропроводимостью (а); грунт с пониженной проводимостью (б).

Данный факт можно объяснить тем, что в процессе развития лидерной стадии токи проводимости протекают по пути с повышенной проводимостью, поэтому на отдельных участках происходит концентрация зарядов, имеющих отношение к лидеру. В результате этого усиливается влияние электрического поля зарядов на земной поверхности на электрическое поле формирующегося лидера. Таким образом объясняется избирательность молний. Как правило, чаще всего поражаются участки грунта и наземные искусственные сооружения с высокой проводимостью. На практике установлено, что на высоковольтных ЛЭП грозовые разряды поражают не более трети опор, расположенных в строго определённых места.

Теория избирательной поражаемости грозовыми разрядами земных объектов нашла практическое подтверждение при обустройстве грозозащиты и заземления энергообъектов электрических подстанций. Те участки, которые отличаются низкой проводимостью, гораздо реже подвергались ударам молний. На рис. 24 представлено электрическое поле между землей и грозовым облаком до удара молнии.

При постепенном изменении напряженности электрического поля грозового облака проводимость грунта обеспечивает баланс количества зарядов при изменении электрического поля облака. При разряде молнии происходит настолько быстрое изменение напряженности поля, что по причине низкой проводимости грунта не успевает произойти перераспределение зарядов. Сосредоточение зарядов в отдельных местах ведет к увеличению напряженности электрического поля между характерными местами и грозовым облаком (Рис. 25), поэтому разряд молнии избирательно ударяет в эти места.

Это наглядно подтверждает теорию избирательности грозового разряда, согласно которой при схожих условиях молнии всегда попадают в те места, где имеется повышенная электропроводимость почвы.

Главные параметры молнии

Для характеристики грозовых токов используются следующие параметры:

Максимальная величина импульса тока молнии.
Степень крутизны фронта грозового тока.
Продолжительность фронта импульса тока.
Длительность полного импульса.

Продолжительность импульса тока молнии – это время, необходимое для прохождения обратным разрядом дистанции между землей грозовым облаком (20...100 мкс). Фронт импульса тока молнии при этом находится в диапазоне от 1,5 до 10 мкс.

Средняя продолжительности импульса тока грозового разряда имеет величину, равную 50 мкс. Данное значение является стандартной величиной импульса тока молнии при проведении испытаний электрической прочности экранированных кабелей: они должны выдерживать прямые удары молнии и сохранять целостность изоляции. Для проведения испытаний прочности изоляции при воздействии грозовыми импульсами напряжения (испытания регламентированы ГОСТ 1516.2-76) принят стандартный импульс грозовых токов напряжения, продемонстрированный на Рис. 26 (для удобства проведения расчетов фактический фронт приведён к эквивалентному косоугольному).

На вертикальной оси развёртки импульсного перенапряжения на уровне равном 0,3 Umax и 0,9 Umax размечаются контрольные точки, соединяемые прямой линией. Пересечение данной прямой с временной осью и с горизонтальной прямой, касающейся Umax, позволяет определить продолжительность импульса Тф. Стандартный грозовой импульс имеет значение 1,2/50: где Тф=1,2 мкс, Ти=50 мкс (полная длительность импульса).

Ещё одна важная характеристика грозового импульса – это скорость нарастания тока напряжения на фронте импульса (крутизна фронта, А*мкс). В таблице 1 показаны основные параметры грозовых разрядов для равнинной местности. В горах отмечается уменьшение амплитуды колебаний токов молнии (почти в два раза) в сравнении со значениями для равнин. Это объясняется тем, что горы ближе до облаков, поэтому в горной местности молнии возникают при гораздо меньшей плотности заряженных частиц в грозовых облаках, что приводит к уменьшению амплитудных значений токов молнии.

Согласно данным таблицы при попадании молнии в опоры высоковольтных ЛЭП образуются огромные токи – более 200 кА. Однако подобные грозовые разряды, вызывающие значительные токи, отмечаются крайне редко: токи свыше 100 кА возникают не более чем в 2 % случаев от общего количества грозовых разрядов, а токи более 150 кА менее чем 0,5 % случаев. Вероятностное распределение амплитудных значений токов молнии в зависимости от амплитудных значений токов показано Рис. 27. Около 40 % всех грозовых разрядов имеют токи, которые не превышают 20 кА.

Рис. 28. Кривые вероятностного распределения (в %) крутизны фронта импульса грозового тока. Кривая 1 – для равнинных местностей; кривая 2 – для горных условий.

От фактической крутизны фронта импульсного тока грозового разряда зависит уровень импульсных помех и перенапряжений, появляющихся на энергообъектах. Степень крутизны варьирует в широком диапазоне и имеет слабую корреляцию с амплитудными значениями грозовых токов. На рис. 28 показано картина вероятностного распределения уровня крутизны фронтального импульса тока молнии на равнине (кривая 1) и в горах (кривая 2).

Воздействие токов грозового разряда

Во время прохождения токов молнии через различные объекты последние подвергаются механическим, электромагнитным и тепловым воздействиям.
Значительное тепловыделение способно разрушить металлические проводники небольших сечений (например, плавкие вставки предохранителей или телеграфные провода). Для определения критического значения тока молнии Iм (кА), при котором происходит плавление или даже испарение проводника, используются следующая формула

k – удельный коэффициент, зависящий от материала проводника (медь 300...330, алюминий 200 ...230, сталь 115...440).
Q – поперечное сечение проводника, мм2;
tm – продолжительность импульса тока молнии, мкс.

Наименьшее сечение проводника (молниеотвода), гарантирующее его сохранность при разряде молнии в энергообъект, составляет 28 мм2. При максимальных значениях тока стальной проводник аналогичного сечения за считанные микросекунды нагревается до сотен градусов, однако сохраняет свою целостность. При воздействии канала молнии на металлические детали они могут оплавиться на глубину до 3-4 мм. Обрывы отдельных проволок у тросов грозозащиты на ЛЭП часто происходят от пережога грозовым разрядом в точках касания канала молнии и троса.

По этой причине стальные молниеотводы имеют значительные сечения: тросы грозозащиты должны быть в сечении не менее 35 мм2, а стержневые молниеотводы не меньше 100 мм2. При воздействии канала молнии на горючие и легковоспламенимые материалы (дерево, солома, горюче-смазочные материалы, газообразное топливо и др.) могут возникать взрывы и пожары. Механическое воздействие тока грозовых разрядов находит своё проявление в разрушении деревянных, кирпичных и каменных конструкций, в которых отсутствует грозозащита и полноценное заземление.

Расщепление деревянных опор ЛЭП объясняется тем, что ток молнии, двигаясь по внутренней структуре древесины, порождает обильное выделение водяного пара, который своим давлением разрывает волокна древесины. В дождливую погоду расщепление древесины меньше, чем в сухую. Так как мокрая древесина характеризуется лучшей проводимостью, поэтому ток молнии проходит в основном по поверхности древесины, не нанося существенного ущерба деревянным конструкциям.

При молниевом разряде из деревянных опор нередко вырываются куски древесины толщиной до трёх и шириной до пяти сантиметров, а в отдельных случаях молния раскалывает пополам стойки и траверсы опор необорудованных заземлением. При этом металлические элементы изоляторов (болты и крючья) вылетают из своих мест и падают на грунт. Однажды удар молнии был такой силы, что огромный тополь высотой порядка 30 м превратился в груду мелких щепок.

Проходя сквозь узкие щели и небольшие отверстия, грозовые разряды, производят значительные разрушения. Например, токи молнии легко деформируют трубчатые разрядники, установленные на ЛЭП. Даже классические диэлектрики (камень и кирпич) подвергаются разрушительному воздействию мощных разрядов. Электростатические силы ударного характера, которые имеются у оставшихся зарядов, легко разрушают толстостенные кирпичные и каменные постройки.

Во время стадии главного разряда молнии рядом с местом её удара в проводниках и металлических конструкциях энергетических объектов возникают импульсные наводки и перенапряжения, которые проходя через заземление энергообъектов, создают высокочастотные импульсные помехи и значительное падение напряжения, достигающее 1 000 и более кВ. Грозовые разряды могут происходить не только между грозовыми облаками и землей, но и между отдельными облаками. Подобные молнии совершенно безопасны для персонала и оборудования энергообъектов. В то же время грозовые разряды доходящие до земли, представляют серьёзную опасность для людей и технических устройств.

Грозовая деятельность на территории РФ

В различных частях нашей страны интенсивность грозовой деятельности имеет существенные отличия. В северных районах отмечается наиболее слабая грозовая активность. При продвижении на юг наблюдается рост грозовой деятельности, которая характеризуется числом дней в году, когда были грозы. Средняя продолжительность гроз за один грозовой день на территории Российской Федерации составляет от 1,5 до 2 часов. Грозовая активность для любой точки РФ устанавливается по специальным метеорологическим картам грозовой деятельности, которые составляются на основании данных многолетних наблюдений метеорологических станций (Рис. 29).

Интересные сведения о молниях:

В тех районах, где грозовая активность составляет 30 часов в год, в среднем на один квадратный километр земной поверхности приходится 1 удар молнии за два года.
Каждую секунду поверхность нашей планеты испытывает свыше ста ударов молний.

Процесс возникновения грозовых разрядов достаточно хорошо изучен современной наукой. Считается, что в большинстве случаев (90%) разряд между облаком и землей имеет отрицательный заряд. Оставшиеся более редкие виды грозовых разрядов можно разделить на три вида:

разряд от земли к облаку отрицательный;
положительная молния от облака к земле;
вспышка от земли к облаку с позитивным зарядом.

Большая часть разрядов фиксируется в пределах одного облака или между разными грозовыми тучами.

Образование молнии: теория процесса

Формирование грозовых разрядов: 1 = примерно 6 тыс. метров и -30°С, 2 = 15 тыс. метров и -30°С.

Атмосферные электрические разряды или молнии между землей и небом образуются при сочетании и наличии определенных необходимых условий, важным, из которых является появление конвекции. Это природное явления во время, которого воздушные массы достаточно теплые и влажные переносятся восходящим потоком в верхние слои атмосферы. При этом имеющаяся в них влага переходит в твердое агрегатное состояние - льдинки. Грозовые фронты образуются, тогда когда кучево-дождевые облака располагаются на высоте более 15 тыс. м, а восходящие от земли потоки имеют скорость до 100 км/ч. Конвекция приводит к возникновению грозовых разрядов, так как более крупные градинки из нижней части облака сталкиваются и трутся об поверхность более легких льдинок верхней его части.

Заряды грозового облака и их распределение

Отрицательные и положительные заряды: 1 = градина, 2 = кристаллы льда.

Многочисленные исследования подтверждают, что падающие более тяжелые градинки, образующиеся при температуре воздуха теплее - 15°С, носят отрицательный заряд, а легкие кристаллы льда, образовавшиеся при температуре воздуха холоднее - 15°С, обычно положительно заряженные. Восходящие от земли потоки воздуха поднимают в более высокие слои положительные легкие льдинки, в центральную часть тучи отрицательные градинки и делят облако на три части:

самую верхнюю зону с положительным зарядом;
среднюю или центральную зону, частично отрицательно заряженную;
нижнюю с частично положительным зарядом.

Ученые объясняют развитие молнии в облаке тем, что электроны распределяются таким образом, что верхняя его часть имеет положительный заряд, а средняя и частично нижняя - отрицательный. Временами этот своеобразный конденсатор разряжается. Зародившаяся в отрицательной части облака молния идет к положительной земле. При этом необходимая для разряда молнии сила поля должна быть в пределах 0,5-10 кВ/см. Эта величина зависит от изолирующих свойств воздуха.

Распределение разряда: 1 = примерно 6 тыс. метров, 2 = электрическое поле.

Расчет стоимости

Наши объекты

АО "Мосводоканал", Физкультурно-оздоровительный комплекс дома отдыха «Пялово»

Адрес объекта: Московская область, Мытищинский район, дер. Пруссы, д. 25

Вид работ: Проектирование и монтаж системы внешней молниезащиты.

Состав молниезащиты: По плоской кровле защищаемого сооружения уложена молниеприемная сетка. Две дымоходные трубы защищены посредством установки на них молниеприемных стержней длиной 2000 мм и диаметром 16 мм. В качестве молниеприемного проводника использована сталь горячего цинкования диаметром 8 мм (сечение 50 кв.мм в соответствии с РД 34.21.122-87). Токоотводы проложены за водосточными трубами на хомутах с зажимными клеммами. Для токоотводов использован проводник из стали горячего цинкования диаметром 8 мм.

ГТЭС Терешково

Адрес объекта: г. Москва. Боровское ш., коммунальная зона «Терешково».

Вид работ: монтаж системы внешней молниезащиты (молниеприемная часть и токоотводы).

Комплектующие:

Исполнение: Общее количество проводника из стали горячего цинкования для 13 сооружений в составе объекта составило 21.5000 метров. По кровлям прокладывается молниеприемная сетка с шагом ячейки 5х5 м, по углам зданий монтируются по 2 токоотвода. В качестве элементов крепления использованы стеновые держатели, промежуточные соединители, держатели для плоской кровли с бетоном, скоростные соединительные клеммы.

Солнечногорский завод "ЕВРОПЛАСТ"

Адрес объекта: Московская обл., Солнечногорский район, дер. Радумля.

Вид работ: Проектирование системы молниезащиты промышленного здания.

Комплектующие: производства фирмы OBO Bettermann.

Выбор системы молниезащиты: Молниезащиту всего здания выполнить по III категории в виде молниеприемной сетки из горячеоцинкованного проводника Rd8 с шагом ячейки 12х12 м. Молниеприемный проводник уложить поверх кровельного покрытия на держатели для мягкой кровли из пластика с бетонным утяжелением. Обеспечить дополнительную защиту оборудования на нижнем уровне кровли установкой многократного стержневого молниеотвода, состоящего из стержневых молниеприемников. В качестве молниеприемника использовать стальной горячеоцинкованный прут Rd16 длиной 2000 мм.

Здание Макдональдса

Адрес объекта: Московская обл., г. Домодедово, трасса М4-Дон

Вид работ: Изготовление и монтаж системы внешней молниезащиты.

Комплектующие: производство фирмы J.Propster.

Состав комплекта: молниепримная сетка из проводника Rd8, 50 кв.мм, СГЦ; алюминиевые молниеприемные стержни Rd16 L=2000 мм; универсальные соединители Rd8-10/Rd8-10, СГЦ; промежуточные соединители Rd8-10/Rd16, Al; стеновые держатели Rd8-10, СГЦ; клеммы конечные, СГЦ; пластиковые держатели на плоской кровле с крышкой (с бетоном) для оцинкованного проводника Rd8; изолированные штанги d=16 L=500 мм.

Частный коттедж, Новорижское шоссе

Адрес объекта: Московская обл., Новорижское шоссе, коттеджный поселок

Вид работ: изготовление и монтаж системы внешней молниезащиты.

Комплектующие производства фирмы Dehn.

Спецификация: проводники Rd8 из оцинкованной стали, медные проводники Rd8, медные держатели Rd8-10 (в т.ч. коньковые), соединители универсальные Rd8-10 из оцинкованной стали, клемма-держатели Rd8-10 из меди и нержавеющей стали, медные фальцевые клемма Rd8-10, биметаллические промежуточные соединители Rd8-10/Rd8-10, лента и хомуты крепления ленты на водосток из меди.

Частный дом, Икша

Адрес объекта: Московская обл., поселок Икша

Вид работ: Проектирование и монтаж систем внешней молниезащиты, заземления и уравнивания потенциалов.

Комплектующие: B-S-Technic, Citel.

Внешняя молниезащита: молниеприемные стержни из меди, медный проводник общей длиной 250 м, кровельные и фасадные держатели, соединительные элементы.

Внутренняя молниезащита: Разрядник DUT250VG-300/G TNC, производство CITEL GmbH.

Заземление: стержни заземления из оцинкованной стали Rd20 12 шт. с наконечниками, стальная полоса Fl30 общей длиной 65 м, крестовые соединители.

Частный дом, Ярославское шоссе

Адрес объекта: Московская обл., Пушкинский район, Ярославкое шоссе, коттеджный поселок

Вид работ: Проектирование и монтаж системы внешней молниезащиты и заземления.

Комплектующие производства фирмы Dehn.

Состав комплекта молниезащиты сооружения: проводник Rd8, 50 кв.мм, медь; хомут Rd8-10 трубный; молниеприемные стержни Rd16 L=3000 мм, медь; стержни заземления Rd20 L=1500 мм, СГЦ; полоса Fl30 25х4 (50 м), оцинкованная сталь; разрядник DUT250VG-300/G TNC, CITEL GmbH.

Территория "Ногинск-Технопарк", производственно-складской корпус с офисно-бытовым блоком

Адрес объекта: Московская обл., Ногинский район.

Вид работ: производство и монтаж системы внешней молниезащиты и заземления.

Комплектующие: J. Propster.

Внешняя молниезащита: На плоской кровле защищаемого здания уложена молниеприемная сетка с шагом ячейки 10 х10 м. Зенитные фонари защищены посредством установки на них молниеприемных стержней длиной 2000 мм и диаметром 16 мм в количестве девяти штук.

Токоотводы: Проложены в «пироге» фасадов здания в количестве 16 штук. Для токоотводов использован проводник из оцинкованной стали в ПВХ-оболочке диаметром 10 мм.

Заземление: Выполнено в виде кольцевого контура c горизонтальным заземлителем в виде оцинкованной полосы 40х4 мм и глубинными стерженями заземления Rd20 длиной L 2х1500 мм.

Все объекты

Новости

Гроза — что это? Откуда берутся рассекающие все небо молнии и грозные раскаты грома? Гроза — это природное явление. Молнии, называемые могут образовываться внутри туч (кучево-дождевых), либо между и облаками. Они, как правило, сопровождаются громом. Молнии связаны с ливневыми дождями, шквальным ветром, а нередко и с градом.

Активность

Гроза — это одно из опаснейших Люди, пораженные молнией, выживают лишь в единичных случаях.

Одновременно на планете действует примерно 1500 гроз. Интенсивность разрядов оценивают в сотню молний в секунду.

Распределение гроз на Земле неравномерное. К примеру, над континентами их в 10 раз больше, чем над океаном. Большая часть (78%) молниевых разрядов сосредоточена в экваториальной и тропической зонах. Особенно часто фиксируется гроза в Центральной Африке. А вот полярные районы (Антарктика, Арктика) и полюсы молний практически не видят. Интенсивность грозы, оказывается, связана с небесным светилом. В средних широтах пик ее приходится на послеполуденные (дневные) часы, на лето. А вот минимум зарегистрирован перед восходом. Важны и географические особенности. Наиболее мощные грозовые центры находятся в Кордильерах и Гималаях (горные районы). Различно годовое количество «грозовых дней» и в России. В Мурманске, например, их всего лишь четыре, в Архангельске — пятнадцать, Калининграде — восемнадцать, Питере — 16, в Москве — 24, Брянске — 28, Воронеже — 26, Ростове — 31, Сочи — 50, Самаре — 25, Казани и Екатеринбурге — 28, Уфе — 31, Новосибирске — 20, Барнауле — 32, Чите — 27, Иркутске и Якутске — 12, Благовещенске — 28, Владивостоке — 13, Хабаровске — 25, Южно-Сахалинске — 7, Петропавловске-Камчатском — 1.

Развитие грозы

Как оно проходит? образуется только при определенных условиях. Обязательно наличие восходящих потоков влаги, при этом должно быть наличие структуры, где одна доля частиц находится в ледяном состоянии, другая — в жидком. Конвекция, которая приведет к развитию грозы, возникнет в нескольких случаях.

Неравномерное нагревание приземных слоев. К примеру, над водой при существенной разнице температур. Над большими городами грозовая интенсивность будет несколько сильнее, чем в окрестностях.

При вытеснении холодным воздухом теплого. Фронтальная конвенция часто развивается одновременно с обложными и слоисто-дождевыми тучами (облаками).

При подъемах воздуха в горных массивах. Даже малые возвышенности могут привести к усилению образований облаков. Это вынужденная конвекция.

Любое грозовое облако, независимо от его типа, обязательно проходит три стадии: кучевую, зрелости, стадию распада.

Классификация

Грозы какое-то время классифицировались только в месте наблюдения. Они разделялись, например, на орфографические, локальные, фронтальные. Сейчас грозы классифицируют по характеристикам, зависящим от тех метеорологических окружений, в которых они развиваются. формируются из-за неустойчивости атмосферы. Для создания грозовых облаков это является основным условием. Очень важны характеристики таких потоков. В зависимости от их мощности и величины формируются, соответственно, различные типы грозовых облаков. Как они подразделяются?

1. Кучево-дождевые одноячейковые, (локальные или внутримассовые). Имеют градовую или грозовую активность. Поперечные размеры от 5 до 20 км, вертикальные — от 8 до 12 км. «Живет» такое облако до часа. После грозы погода практически не меняется.

2. Многоячейковые кластерные. Здесь масштабы более внушительны — до 1000 км. Многоячейковый кластер охватывает группу грозовых ячеек, находящихся на различных стадиях формирования и развития и в то же время составляющих одно целое. Как они устроены? Зрелые грозовые ячейки располагаются в центре, распадающиеся — с Поперечные их размеры могут достигать 40 км. Кластерные многоячейковые грозы «дают» порывы ветра (шквальные, но не сильные), ливень, град. Существование одной зрелой ячейки ограничивается получасом, а вот сам кластер может «жить» несколько часов.

3. Линии шквалов. Это также многоячейковые грозы. Их называют еще линейными. Они могут быть как сплошными, так и с брешами. Порывы ветра здесь более продолжительны (на переднем фронте). Многоячейковая линия при приближении кажется темной стеной облаков. Число потоков (как восходящих, так и нисходящих) здесь довольно велико. Именно поэтому такой комплекс гроз классифицируется, как многоячеечный, хотя грозовая структура иная. Линия шквала способна дать интенсивный ливень и крупный град, однако чаще «ограничивается» сильными снисходящими потоками. Зачастую она проходит перед холодным фронтом. На снимках такая система имеет форму изогнутого лука.

4. Суперячейковые грозы. Встречаются такие грозы редко. Они особенно опасны для имущества и жизни человека. Облако этой системы схоже с одноячейковым, поскольку оба отличаются одной зоной восходящего потока. Зато размеры у них разные. Суперячейковое облако - огромно — близко 50 км в радиусе, высота — до 15 км. Границы его могут находиться в стратосфере. Форма напоминает единую полукруглую наковальню. Скорость восходящих потоков гораздо выше (до 60 м/с). Характерная особенность — наличие вращения. Именно оно создает опасные, экстремальные явления (крупный град (боле 5 см), разрушительные смерчи). Основным фактором для образования такого облака являются окружающие условия. Речь идет об очень сильной конвенции с температурой от +27 и ветре с переменным направлением. Такие условия возникают при сдвигах ветра в тропосфере. Образующиеся в восходящих потоках, осадки переносятся в зону нисходящих, что обеспечивает длительную жизнь облаку. Осадки распределяются неравномерно. Ливни идут близ восходящего потока, а град — ближе к северо-востоку. Задняя часть грозы может сместиться. Тогда наиболее опасной зоной будет рядом с основным восходящим потоком.

Существует еще понятие "сухая гроза". Это явление довольно редкое, характерное для муссонов. При такой грозе отсутствуют осадки (просто не долетают, испаряясь в результате воздействия высокой температуры).

Скорость передвижения

У изолированной грозы она составляет примерно 20 км/ч, иногда быстрее. Если холодные фронты активны, скорость может составлять 80 км/ч. У многих гроз старые грозовые ячейки заменяются новыми. Каждая из них проходит относительно небольшой путь (порядка двух километров), однако в совокупности расстояние увеличивается.

Механизм электризации

Откуда берутся сами молнии? вокруг облаков и внутри них постоянно движутся. Процесс этот довольно сложен. Проще всего представить картину работы электрических зарядов в зрелых облаках. Доминирует в них дипольная положительная структура. Как она распределяется? Положительный заряд размещается вверху, а отрицательный — под ним, внутри облака. Согласно основной гипотезы (эту область науки можно пока считать малоизведанной), более тяжелые и крупные частички заряжаются отрицательно, а мелкие и легкие имеют положительный заряд. Первые падают быстрее, чем вторые. Это становится причиной пространственного разделения объемных зарядов. Такой механизм подтверждается лабораторными экспериментами. Обладать сильной передачей заряда могут частички ледяной крупы или града. Величина и знак будут зависеть от водности облака, температуры воздуха (окружающего), скорости столкновения (основные факторы). Не исключается воздействие других механизмов. Разряды происходят между землей и облаком (или нейтральной атмосферой, или ионосферой). Именно в этот момент мы наблюдаем рассекающие небо вспышки. Или молнии. Процесс этот сопровождается громкими раскатами (громом).

Гроза — это сложный процесс. На его изучение могут уйти долгие десятилетия, а возможно, даже столетия.

Гроза — атмосферное явление, при котором внутри облаков или между облаком и земной поверхностью возникают электрические разряды — молнии, сопровождаемые громом. Как правило, гроза образуется в мощных кучево-дождевых облаках и связана с ливневым дождём, градом и шквальным усилением ветра.

Гроза относится к одним из самых опасных для человека природных явлений: по количеству зарегистрированных смертных случаев только наводнения приводят к бо́льшим людским потерям.

Гроза

Одновременно на Земле действует около полутора тысяч гроз, средняя интенсивность разрядов оценивается как 100 молний в секунду. По поверхности планеты грозы распределяются неравномерно.

Распределение грозовых разрядов по поверхности Земли

Над океаном гроз наблюдается приблизительно в десять раз меньше, чем над континентами. В тропической и экваториальной зоне (от 30° северной широты до 30° южной широты) сосредоточено около 78% всех молниевых разрядов. Максимум грозовой активности приходится на Центральную Африку. В полярных районах Арктики и Антарктики и над полюсами гроз практически не бывает. Интенсивность гроз следует за солнцем: максимум гроз приходится на лето (в средних широтах) и дневные послеполуденные часы. Минимум зарегистрированных гроз приходится на время перед восходом солнца. На грозы влияют также географические особенности местности: сильные грозовые центры находятся в горных районах Гималаев и Кордильер.

Стадии развития грозового облака

Необходимыми условиями для возникновения грозового облака является наличие условий для развития конвекции или иного механизма, создающего восходящие потоки запаса влаги, достаточного для образования осадков, и наличия структуры, в которой часть облачных частиц находится в жидком состоянии, а часть — в ледяном. Конвекция, приводящая к развитию гроз, возникает в следующих случаях:

При неравномерном нагревании приземного слоя воздуха над различной подстилающей поверхностью. Например, над водной поверхностью и сушей из-за различий в температуре воды и почвы. Над крупными городами интенсивность конвекции значительно выше, чем в окрестностях города.

При подъёме или вытеснении тёплого воздуха холодным на атмосферных фронтах. Атмосферная конвекция на атмосферных фронтах значительно интенсивнее и чаще, чем при внутримассовой конвекции. Часто фронтальная конвекция развивается одновременно со слоисто-дождевыми облаками и обложными осадками, что маскирует образующиеся кучево-дождевые облака.

При подъёме воздуха в районах горных массивов. Даже небольшие возвышенности на местности приводят к усилению образования облаков (за счёт вынужденной конвекции). Высокие горы создают особенно сложные условия для развития конвекции и почти всегда увеличивают её повторяемость и интенсивность.

Все грозовые облака, независимо от их типа, последовательно проходят стадии кучевого облака, стадию зрелого грозового облака и стадию распада.

Классификация грозовых облаков

Одно время грозы классифицировались в соответствии с тем, где они наблюдались, — например, локальные, фронтальные или орографические. В настоящее время более принято классифицировать грозы в соответствии с характеристиками самих гроз, и эти характеристики в основном зависят от метеорологического окружения, в котором развивается гроза.

Основным необходимым условием для образования грозовых облаков является состояние неустойчивости атмосферы, формирующее восходящие потоки. В зависимости от величины и мощности таких потоков формируются грозовые облака различных типов.

Одноячейковое облако

Одноячейковые кучево-дождевые облака развиваются в дни со слабым ветром в малоградиентном барическом поле. Их называют ещё внутримассовыми или локальными грозами. Они состоят из конвективной ячейки с восходящим потоком в центральной своей части. Они могут достигать грозовой и градовой интенсивности и быстро разрушаться с выпадением осадков. Размеры такого облака: поперечный — 5—20 км, вертикальный — 8—12 км, продолжительность жизни — около 30 минут, иногда — до 1 часа. Серьёзных изменений погоды после грозы не происходит.

Цикл жизни одноячейкового облака

Гроза начинается с возникновения кучевого облака хорошей погоды (Cumulus humilis). При благоприятных условиях возникшие кучевые облака быстро растут как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении, при этом восходящие потоки находятся почти по всему объёму облака и увеличиваются от 5 м/с до 15-20 м/с. Нисходящие потоки очень слабы. Окружающий воздух активно проникает внутрь облака за счёт смешения на границе и вершине облака. Облако переходит в стадию Cumulus mediocris. Образующиеся в результате конденсации мельчайшие водяные капли в таком облаке сливаются в более крупные, которые уносятся мощными восходящими потоками вверх. Облако ещё однородное, состоит из капель воды, удерживаемых восходящим потоком, — осадки не выпадают. В верхней части облака при попадании частиц воды в зону отрицательных температур капли постепенно начинают превращаться в кристаллы льда. Облако переходит в стадию мощно-кучевого облака (Cumulus congestus). Смешанный состав облака приводит к укрупнению облачных элементов и созданию условий для выпадения осадков. Такое облако называют кучево-дождевым (Cumulonimbus) или кучево-дождевым лысым (Cumulonimbus calvus). Вертикальные потоки в нём достигают 25 м/с, а уровень вершины достигает высоты 7—8 км.

Испаряющиеся частицы осадков охлаждают окружающий воздух, что приводит к дальнейшему усилению нисходящих потоков. На стадии зрелости в облаке одновременно присутствуют и восходящие, и нисходящие воздушные потоки.

На стадии распада в облаке преобладают нисходящие потоки, которые постепенно охватывают все облако.

Многоячейковые кластерные грозы

Схема многоячейковой грозовой структуры

Это наиболее распространённый тип гроз, связанный с мезомасштабными (имеющими масштаб от 10 до 1000 км) возмущениями. Многоячейковый кластер состоит из группы грозовых ячеек, двигающихся как единое целое, хотя каждая ячейка в кластере находится на разных стадиях развития грозового облака. Грозовые ячейки, находящиеся в стадии зрелости, обычно располагаются в центральной части кластера, а распадающиеся ячейки — с подветренной стороны кластера. Они имеют поперечные размеры 20—40 км, их вершины нередко поднимаются до тропопаузы и проникают в стратосферу. Многоячейковые кластерные грозы могут давать град, ливневые дожди и относительно слабые шквальные порывы ветра. Каждая отдельная ячейка в многоячейковом кластере находится в зрелом состоянии около 20 минут; сам многоячейковый кластер может существовать в течение нескольких часов. Данный тип грозы обычно более интенсивен, чем одноячейковая гроза, но много слабее суперъячейковой грозы.

Многоячейковые линейные грозы (линии шквалов)

Многоячейковые линейные грозы представляют собой линию гроз с продолжительным, хорошо развитым фронтом порывов ветра на передней линии фронта. Линия шквалов может быть сплошной или содержать бреши. Приближающаяся многоячейковая линия выглядит как тёмная стена облаков, обычно покрывающая горизонт с западной стороны (в северном полушарии). Большое число близко расположенных восходящих/нисходящих потоков воздуха позволяет квалифицировать данный комплекс гроз как многоячеечный, хотя его грозовая структура резко отличается от многоячейковой кластерной грозы. Линии шквалов могут давать крупный град и интенсивные ливни, но больше они известны как системы, создающие сильные нисходящие потоки. Линия шквалов близка по свойствам к холодному фронту, но является локальным результатом грозовой деятельности. Часто линия шквалов возникает впереди холодного фронта. На радарных снимках эта система напоминает изогнутый лук (bow echo). Данное явление характерно для Северной Америки, на территории Европы и Европейской территории России наблюдается реже.

Суперъячейковые грозы

Вертикальная и горизонтальная структура суперъячейкового облака

Суперъячейка — наиболее высокоорганизованное грозовое облако. Суперъячейковые облака относительно редки, но представляют наибольшую угрозу для здоровья и жизни человека и его имущества. Суперъячейковое облако схоже с одноячейковым тем, что оба имеют одну зону восходящего потока. Различие состоит в том, что размер ячейки огромен: диаметр порядка 50 км, высота — 10—15 км (нередко верхняя граница проникает в стратосферу) с единой полукруглой наковальней. Скорость восходящего потока в суперъячейковом облаке значительно выше, чем в других типах грозовых облаков: до 40—60 м/с. Основной особенностью, отличающей суперъячейковое облако от облаков других типов, является наличие вращения. Вращающийся восходящий поток в суперъячейковом облаке (в радарной терминологии называемый мезоциклоном ), создаёт экстремальные по силе погодные явления, такие, как гигантский град (более 5 см в диаметре), шквальный ветер до 40 м/с и сильные разрушительные смерчи. Окружающие условия являются основным фактором в образовании суперъячейкового облака. Необходима очень сильная конвективная неустойчивость воздуха. Температура воздуха у земли (до грозы) должна быть +27…+30 и выше, но главным необходимым условием является ветер переменного направления, вызывающий вращение. Такие условия достигаются при сдвиге ветра в средней тропосфере. Осадки, образующиеся в восходящем потоке, переносятся по верхнему уровню облака сильным потоком в зону нисходящего потока. Таким образом, зоны восходящего и нисходящего потоков оказываются разделёнными в пространстве, что обеспечивает жизнь облака в течение длительного периода времени. Обычно на передней кромке суперъячейкового облака наблюдается слабый дождь. Ливневые осадки выпадают вблизи зоны восходящего потока, а наиболее сильные осадки и крупный град выпадают к северо-востоку от зоны основного восходящего потока. Наиболее опасные условия наблюдаются неподалёку от зоны основного восходящего потока (обычно смещённые к задней части грозы).

Суперселл (англ. super и cell — ячейка) — разновидность грозы, характеризующаяся наличием мезоциклона — глубокого, сильно вращающегося восходящего потока. По этой причине подобные бури иногда называют вращающимися грозами. Из четырёх видов грозы согласно западным классификациям (суперселл, скуаллайн, мультселл и синглселл) суперселлы встречаются наименее часто и могут представлять наибольшую опасность. Суперселлы часто изолированы от других гроз и могут иметь фронт размахом до 32 километров.

Суперселл на закате

Суперселлы часто подразделяют на три типа: классические; с низким уровнем осадков (LP); и с высоким уровнем осадков (HP). Суперселлы типа LP обычно образуются в более засушливом климате, таком как в высокогорных долинах США, а суперселлы типа HP более характерны для более влажного климата. Суперселлы могут наблюдаться в любой точке земного шара, если там возникнут подходящие для их образования погодные условия, но наиболее распространены они в области Великих равнин США — в районе, известном как Долина Торнадо. Также они могут наблюдаться в равнинах в Аргентине, Уругвае и на юге Бразилии.

Физические характеристики грозовых облаков

Самолётные и радарные исследования показывают, что единичная грозовая ячейка обычно достигает высоты порядка 8—10 км и живёт порядка 30 минут. Изолированная гроза обычно состоит из нескольких ячеек, находящихся в различных стадиях развития, и длится порядка часа. Крупные грозы могут достигать в диаметре десятков километров, их вершина может достигать высоты свыше 18 км, и они могут длиться много часов.

Восходящие и нисходящие потоки

Восходящие и нисходящие потоки в изолированных грозах обычно имеют диаметр от 0.5 до 2.5 км и высоту от 3 до 8 км. Иногда диаметр восходящего потока может достигать 4 км. Вблизи поверхности земли потоки обычно увеличиваются в диаметре, а скорость в них падает по сравнению с выше расположенными потоками. Характерная скорость восходящего потока лежит в диапазоне от 5 до 10 м/с и доходит до 20 м/с в верхней части крупных гроз. Исследовательские самолёты, пролетающие сквозь грозовое облако на высоте 10 000 м, регистрируют скорость восходящих потоков свыше 30 м/с. Наиболее сильные восходящие потоки наблюдаются в организованных грозах.

Шквалы

Перед августовским шквалом 2010 года в Гатчине

В некоторых грозах возникают интенсивные нисходящие воздушные потоки, создающие на поверхности земли ветер разрушительной силы. В зависимости от размера такие нисходящие потоки называются шквалами или микрошквалами. Шквал диаметром более 4 км может создавать ветер до 60 м/с. Микрошквалы имеют меньшие размеры, но создают ветер скоростью до 75 м/с. Если порождающая шквал гроза образуется из достаточно тёплого и влажного воздуха, то микрошквал будет сопровождаться интенсивным ливневым дождём. Однако, если гроза формируется из сухого воздуха, осадки во время выпадения могут испариться (испаряющиеся в воздухе полосы осадков или virga), и микрошквал будет сухим. Нисходящие воздушные потоки являются серьёзной опасностью для самолётов, особенно во время взлёта или посадки, так как они создают вблизи земли ветер с сильными внезапными изменениями скорости и направления.

Вертикальное развитие

В общем случае, активное конвективное облако будет подниматься до тех пор, пока оно не утратит плавучесть. Потеря плавучести связана с нагрузкой, создаваемой образовавшимися в облачной среде осадками, или смешением с окружающим сухим холодным воздухом, или комбинацией этих двух процессов. Рост облака также может быть остановлен слоем блокирующей инверсии, то есть слоем, где температура воздуха растёт с высотой. Обычно грозовые облака достигают высоты порядка 10 км, но иногда достигают высот более 20 км. Когда влагосодержание и нестабильность атмосферы высоки, то при благоприятном ветре облако может вырасти до тропопаузы, слоя, отделяющего тропосферу от стратосферы. Тропопауза характеризуется температурой, остающейся приблизительно постоянной с ростом высоты и известной как область высокой стабильности. Как только восходящий поток начинает приближаться к стратосфере, то довольно скоро воздух в вершине облака становится холоднее и тяжелее окружающего воздуха, и рост вершины останавливается. Высота тропопаузы зависит от широты местности и от сезона года. Она варьируется от 8 км в полярных регионах до 18 км и выше вблизи экватора.

Когда кучевое конвективное облако достигает блокирующего слоя инверсии тропопаузы, оно начинает растекаться в стороны и образует характерную для грозовых облаков «наковальню». Ветер, дующий на высоте наковальни, обычно сносит облачный материал по направлению ветра.

Турбулентность

Самолёт, пролетающий сквозь грозовое облако (залетать в кучево-дождевые облака запрещается), обычно попадает в болтанку, бросающую самолёт вверх, вниз и в стороны под действием турбулентных потоков облака. Атмосферная турбулентность создаёт ощущение дискомфорта для экипажа самолёта и пассажиров и вызывает нежелательные нагрузки на самолёт. Турбулентность измеряется разными единицами, но чаще её определяют в единицах g — ускорения свободного падения (1g = 9,8 м/с 2). Шквал в один g создаёт опасную для самолётов турбулентность. В верхней части интенсивных гроз зарегистрированы вертикальные ускорения до трёх g.

Движение гроз

Скорость и движение грозового облака зависит от направления земли, прежде всего, взаимодействием восходящего и нисходящего потоков облака с несущими воздушными потоками в средних слоях атмосферы, в которых развивается гроза. Скорость перемещения изолированной грозы обычно порядка 20 км/час, но некоторые грозы двигаются гораздо быстрее. В экстремальных ситуациях грозовое облако может двигаться со скоростями 65—80 км/час — во время прохождения активных холодных фронтов. В большинстве гроз по мере рассеивания старых грозовых ячеек последовательно возникают новые грозовые ячейки. При слабом ветре отдельная ячейка за время своей жизни может пройти совсем небольшой путь, меньше двух километров; однако в более крупных грозах новые ячейки запускаются нисходящим потоком, вытекающим из зрелой ячейки, что создаёт впечатление быстрого движения, не всегда совпадающего с направлением ветра. В больших многоячейковых грозах существует закономерность, когда новая ячейка формируется справа по направлению несущего воздушного потока в северном полушарии и слева от направления несущего потока в Южном полушарии.

Энергия

Энергия, которая приводит в действие грозу, заключена в скрытой теплоте, высвобождающейся, когда водяной пар конденсируется и образует облачные капли. На каждый грамм конденсирующейся в атмосфере воды высвобождается приблизительно 600 калорий тепла. Когда водяные капли замерзают в верхней части облака, дополнительно высвобождается ещё около 80 калорий на грамм. Высвобождающаяся скрытая тепловая энергия частично преобразуется в кинетическую энергию восходящего потока. Грубая оценка общей энергии грозы может быть сделана на основе общего количества воды, выпавшей в виде осадков из облака. Типичной является энергия порядка 100 миллионов киловатт-часов, что по приблизительной оценке эквивалентно ядерному заряду в 20 килотонн (правда, эта энергия выделяется в гораздо большем объёме пространства и за гораздо большее время). Большие многоячейковые грозы могут обладать энергией и в 10 и в 100 раз большей.

Нисходящие потоки и шквальные фронты

Шквальный фронт мощной грозы

Нисходящие потоки в грозах возникают на высотах, где температура воздуха ниже, чем температура в окружающем пространстве, и этот поток становится ещё холоднее, когда в нём начинают таять ледяные частицы осадков и испаряться облачные капли. Воздух в нисходящем потоке не только более плотный, чем окружающий воздух, но и он несёт ещё горизонтальный момент количества движения, отличающийся от окружающего воздуха. Если нисходящий поток возникает, например, на высоте 10 км, то он достигнет поверхности земли с горизонтальной скоростью, заметно большей, чем скорость ветра у земли. У земли этот воздух выносится вперёд перед грозой со скоростью, большей, чем скорость движения всего облака. Именно поэтому наблюдатель на земле ощутит приближение грозы по потоку холодного воздуха ещё до того, как грозовое облако окажется у него над головой. Распространяющийся по земле нисходящий поток образует зону глубиной от 500 метров до 2 км с отчётливым различием между холодным воздухом потока и тёплым влажным воздухом, из которого формируется гроза. Прохождение такого шквального фронта легко определяется по усилению ветра и внезапному падению температуры. За пять минут температура воздуха может понизиться на 5°C или больше. Шквал образует характерный шквальный ворот с горизонтальной осью, резким падением температуры и изменением направления ветра.

В экстремальных случаях фронт шквала, созданный нисходящим потоком, может достичь скорости, превышающей 50 м/с, и приносит разрушения домам и посевам. Более часто сильные шквалы возникают, когда организованная линия гроз развивается в условиях сильного ветра на средних высотах. При этом люди могут подумать, что эти разрушения вызваны смерчем. Если нет свидетелей, видевших характерное воронкообразное облако смерча, то причину разрушения можно определить по характеру разрушений, вызванных ветром. В смерчах разрушения имеют круговую картину, а грозовой шквал, вызванный нисходящим потоком, несёт разрушения преимущественно в одном направлении. Следом за холодным воздухом обычно начинается дождь. В некоторых случаях дождевые капли полностью испаряются во время падения, что приводит к сухой грозе. В противоположной ситуации, характерной для сильных многоячейковых и суперъячейковых гроз, идёт проливной дождь с градом, вызывающий внезапные наводнения.

Смерчи

Смерч — это сильный маломасштабный вихрь под грозовыми облаками с приблизительно вертикальной, но часто изогнутой осью. От периферии к центру смерча наблюдается перепад давления в 100—200 гПа. Скорость ветра в смерчах может превышать 100 м/с, теоретически может доходить до скорости звука. В России смерчи возникают сравнительно редко, но приносят колоссальный ущерб. Наибольшая повторяемость смерчей приходится на юг европейской части России.

Ливни

В небольших грозах пятиминутный пик интенсивных осадков может превосходить 120 мм/час, но весь остальной дождь имеет на порядок меньшую интенсивность. Средняя гроза даёт порядка 2,000 кубометров осадков, но крупная гроза может дать в десять раз больше. Большие организованные грозы, связанные с мезомасштабными конвективными системами, могут создать от 10 до 1000 миллионов кубометров осадков.

Электрическая структура грозового облака

Структура зарядов в грозовых облаках в различных регионах

Распределение и движение электрических зарядов внутри и вокруг грозового облака является сложным непрерывно меняющимся процессом. Тем не менее, можно представить обобщённую картину распределения электрических зарядов на стадии зрелости облака. Доминирует положительная дипольная структура, в которой положительный заряд находится в верхней части облака, а отрицательный заряд находится под ним внутри облака. В основании облака и под ним наблюдается нижний положительный заряд. Атмосферные ионы, двигаясь под действием электрического поля, формируют на границах облака экранирующие слои, маскирующие электрическую структуру облака от внешнего наблюдателя. Измерения показывают, что в различных географических условиях основной отрицательный заряд грозового облака расположен на высотах с температурой окружающего воздуха от −5 до −17 °C. Чем больше скорость восходящего потока в облаке, тем на большей высоте находится центр отрицательного заряда. Плотность объёмного заряда лежит в диапазоне 1-10 Кл/км³. Существует заметная доля гроз с инверсной структурой зарядов: — отрицательным зарядом в верхней части облака и положительным зарядом во внутренней части облака, а также со сложной структурой с четырьмя и более зонами объёмных зарядов разной полярности.

Механизм электризации

Для объяснения формирования электрической структуры грозового облака предлагалось много механизмов, и до сих пор эта область науки является областью активных исследований. Основная гипотеза основана на том, что если более крупные и тяжёлые облачные частицы заряжаются преимущественно отрицательно, а более лёгкие мелкие частицы несут положительный заряд, то пространственное разделение объёмных зарядов возникает за счёт того, что крупные частицы падают с большей скоростью, чем мелкие облачные компоненты. Этот механизм, в целом, согласуется с лабораторными экспериментами, которые показывают сильную передачу заряда при взаимодействии частиц ледяной крупы (крупа — пористые частицы из замёрзших водяных капелек) или града с ледяными кристаллами в присутствии переохлаждённых водяных капель. Знак и величина передаваемого при контактах заряда зависят от температуры окружающего воздуха и водности облака, но также и от размеров ледяных кристаллов, скорости столкновения и других факторов. Возможно также действие и других механизмов электризации. Когда величина накопившегося в облаке объёмного электрического заряда становится достаточно большой, между областями, заряженными противоположным знаком, происходит молниевый разряд. Разряд может произойти также между облаком и землёй, облаком и нейтральной атмосферой, облаком и ионосферой. В типичной грозе от двух третей до 100 процентов разрядов приходятся на внутриоблачные разряды, межоблачные разряды или разряды облако — воздух. Оставшаяся часть — это разряды облако-земля. В последние годы стало понятно, что молния может быть искусственно инициирована в облаке, которое в обычных условиях не переходит в грозовую стадию. В облаках, имеющих зоны электризации и создающих электрические поля, молнии могут быть инициированы горами, высотными сооружениями, самолётами или ракетами, оказавшимися в зоне сильных электрических полей.

Зарница — мгновенные вспышки света на горизонте при отдаленной грозе.

При зарницах раскатов грома не слышно из-за дальности, но можно увидеть вспышки молний, свет которых отражается от кучево-дождевых облаков (преимущественно их вершин). Явление наблюдается в тёмное время суток, преимущественно после 5-го июля, в пору сбора урожая зерновых культур, поэтому зарницу в народе приурочивали к концу лета, началу сбора урожая и иногда называют хлебозарами.

Снеговая гроза

Схема формирования снеговой грозы

Снежная гроза (также снеговая гроза) — гроза, очень редкое метеорологическое явление, бывает в мире 5-6 раз в год. Вместо ливневого дождя выпадает ливневой снег, ледяной дождь или ледяная крупа. Термин используется в основном в научно-популярной и зарубежной литературе (англ. thundersnow ). В профессиональной российской метеорологии данного термина нет: в таких случаях отмечается одновременно гроза и ливневой снег.

Случаи зимних гроз отмечаются в старинных русских летописях: грозы зимой в 1383 году (был «гром страшен очень и вихрь силен вельми»), в 1396 году (в Москве 25 декабря «…был гром, а туча от полуденной страны»), в 1447 году (в Новгороде 13 ноября «…в полночь страшный гром и молния велико зело»), в 1491 году (во Пскове 2 января слышали гром).

7 августа 2014

Гроза — что это? Откуда берутся рассекающие все небо молнии и грозные раскаты грома? Гроза — это природное явление. Молнии, называемые электрическими разрядами, могут образовываться внутри туч (кучево-дождевых), либо между земной поверхностью и облаками. Они, как правило, сопровождаются громом. Молнии связаны с ливневыми дождями, шквальным ветром, а нередко и с градом.

Активность

Гроза — это одно из опаснейших природных явлений. Люди, пораженные молнией, выживают лишь в единичных случаях.

Развитие грозы

Как оно проходит? Грозовое облако образуется только при определенных условиях. Обязательно наличие восходящих потоков влаги, при этом должно быть наличие структуры, где одна доля частиц находится в ледяном состоянии, другая — в жидком. Конвекция, которая приведет к развитию грозы, возникнет в нескольких случаях.

Классификация

Грозы какое-то время классифицировались только в месте наблюдения. Они разделялись, например, на орфографические, локальные, фронтальные. Сейчас грозы классифицируют по характеристикам, зависящим от тех метеорологических окружений, в которых они развиваются. Восходящие потоки формируются из-за неустойчивости атмосферы. Для создания грозовых облаков это является основным условием. Очень важны характеристики таких потоков. В зависимости от их мощности и величины формируются, соответственно, различные типы грозовых облаков. Как они подразделяются?

2. Многоячейковые кластерные. Здесь масштабы более внушительны — до 1000 км. Многоячейковый кластер охватывает группу грозовых ячеек, находящихся на различных стадиях формирования и развития и в то же время составляющих одно целое. Как они устроены? Зрелые грозовые ячейки располагаются в центре, распадающиеся — с подветренной стороны. Поперечные их размеры могут достигать 40 км. Кластерные многоячейковые грозы «дают» порывы ветра (шквальные, но не сильные), ливень, град. Существование одной зрелой ячейки ограничивается получасом, а вот сам кластер может «жить» несколько часов.

Скорость передвижения

Механизм электризации

Откуда берутся сами молнии? Электрические заряды вокруг облаков и внутри них постоянно движутся. Процесс этот довольно сложен. Проще всего представить картину работы электрических зарядов в зрелых облаках. Доминирует в них дипольная положительная структура. Как она распределяется? Положительный заряд размещается вверху, а отрицательный — под ним, внутри облака. Согласно основной гипотезы (эту область науки можно пока считать малоизведанной), более тяжелые и крупные частички заряжаются отрицательно, а мелкие и легкие имеют положительный заряд. Первые падают быстрее, чем вторые. Это становится причиной пространственного разделения объемных зарядов. Такой механизм подтверждается лабораторными экспериментами. Обладать сильной передачей заряда могут частички ледяной крупы или града. Величина и знак будут зависеть от водности облака, температуры воздуха (окружающего), скорости столкновения (основные факторы). Не исключается воздействие других механизмов. Разряды происходят между землей и облаком (или нейтральной атмосферой, или ионосферой). Именно в этот момент мы наблюдаем рассекающие небо вспышки. Или молнии. Процесс этот сопровождается громкими раскатами (громом).

Гроза — это сложный процесс. На его изучение могут уйти долгие десятилетия, а возможно, даже столетия.

КАТЕГОРИИ