Доктор технических наук Эдуард БАЗЕЛЯН, Энергетический институт им. Г. М, Кржижановского

В библейской притче юный герой Давид победил филистимлянского великана Голиафа, обладавшего несравнимо большей мощью. Мы же расскажем о самой слабой форме электрического разряда - короне, тем не менее способной справиться с молнией, эффектный полет которой лишь завершение совокупности многочисленных, незаметных, но исключительно важных ионизационных процессов. Так ради краткого триумфа запуска космического корабля трудятся миллионы его создателей, не известных широкой публике.

ПЕРЕД ГРОЗОЙ

Электрическое поле атмосферы существует всегда, даже в хорошую погоду. Его создают заряженные частицы, поставляемые космическим излучением и радиоактивным фоном Земли. При безоблачном небе поле очень слабое. Напряженность его вряд ли превышает 100 В/м, в нем на заряд 0,01 Кл действует сила в 1 Н. Чтобы "почувствовать" эти цифры, достаточно напомнить, что даже при напряжении в 1000 000 В тело человека приобретет заряд не более 0,0001 Кл.

В грозовой обстановке поле атмосферы начинает интенсивно нарастать. Теперь его создают заряды облака, несомые электризованными снежинками, каплями воды, кусочками льда. Как правило, тяжелые отрицательные частицы располагаются ближе к поверхности земли (3 - 4 км), а легкие положительные - дальше (6 - 10 км), и хотя их суммарные заряды приблизительно равны, действие ближайшего сильнее. Поэтому в наших широтах в грозу электрическое поле у земли чаще отрицательное, направлено от нее к облаку. Оно может превышать 10 000 - 20 000 В/м (электрофизики предпочитают более емкие единицы 10 - 20 кВ/м), т.е. в сотни раз больше, чем в хорошую погоду. Но и это поле нельзя считать сильным. На поверхности шнура вашей настольной лампы, утюга или чайника оно ничуть не меньше. Включите электроприбор в розетку - в воздухе у поверхности провода ничего не изменится. Так будет, пока напряженность не превысит порог ионизации воздуха - 3000 кВ/м при нормальных атмосферных условиях - поле, в сотни раз более мощное, чем от грозового облака.

А как же огни святого Эльма на корабельных мачтах? - спросят знатоки "пиратских" романов, - ведь это последствия локальной ионизации воздуха, тот самый коронный разряд, для возбуждения которого требуется никак не меньше 3000 кВ/м. Тут не поспоришь: раз есть корона, то существует и питающее ее электрическое поле. Остается найти причину столь значительного его усиления. Пропитанная морской влагой мачта - хороший проводник, электростатическое поле в ней отсутствует, так как вытесняется наружу - в воздух у ее вершины: при длине бревна в 10 м и создаваемой грозовым облаком напряженности 20 кВ/м оно составит 20 кВ/м * 10 м = 200 кВ. Примерно столько несут провода высоковольтной воздушной линии электропередачи (ЛЭП).

Если вас не страшит прогулка в сырую погоду, доберитесь до ближайшей ЛЭП. Лучше это сделать ночью и за городом, прихватив с собой бинокль. Тогда вы не только услышите характерный треск, издаваемый элементами короны, но и увидите слабое голубоватое свечение в отдельных точках у поверхности провода. Это полный аналог пиратских огней святого Эльма. В грозовой обстановке "коронируют" не только высокие сооружения, но и ветки деревьев и кустарников, тонкие длинные травинки, фактически вся поверхность земли, и вы сами - тоже. В горах в грозу человек может почувствовать противные мурашки на лбу, даже легкое шевеление волос: таким мало приятным образом проявляет себя ток короны.

ЗОНТИК ОТ МОЛНИИ

Ток и электрический заряд короны очень слабы. От всех очагов "коронирующего" лесного массива площадью 100 км" вряд ли наберется 2 А - примерно столько потребляет комнатная люстра. Коронный ток от отдельных зданий еще слабее: от Останкинской телебашни в Москве он не превышает нескольких миллиампер, а от вершины молниеотвода 30-метровой высоты - 0,1 мА. Стоит ли обращать внимание на такую малость? Покажем, что очень даже стоит.

Молния у Останкинской телебашни на рисунке в этой статье зафиксирована автоматическими фотокамерами. И, анализируя снимки, мы видим, что имеем дело с молнией ... наоборот. Она стартовала от вершины телебашни и устремилась к грозовому облаку. Направление движения ее канала можно было

Корона соорудила "зонт" над высотным стационарным объектом.

У летящей ракеты с заземленной проволокой для этого нет времени.

бы восстановить по скоростной кинограмме, но тут специальная съемка не требуется, поскольку разряд, подобно дереву, ветвится в направлении роста - в нашем случае вверх. Такие молнии называют восходящими (в отличие от "правильных", нисходящих), и чем выше "испускающий" их наземный объект, тем их больше. Так, от Останкинской телебашни стартует около 25 в год, а от сооружения высотой в 200 м - лишь 1 - 2.

Странно, что восходящая молния - столь редкое явление, хотя в средней полосе России насчитывается 20 - 40 грозовых часов в году, и все это время высотные сооружения пребывают в сильных электрических полях почти без последствий. Возникает впечатление, что они чем-то укрыты на манер шапки-невидимки или, на худой конец, зонтика. Последнее сравнение наиболее верно отражает суть дела, а создает "зонтик" заряд короны.

Рассмотрим детали. Представим себе грозовое облако с нижней отрицательно заряженной ячейкой и под ним высокое сооружение. На земле и на боковой поверхности здания, особенно на его вершине, за счет электростатической индукции наводится заряд противоположного знака (в нашем случае положительный) - тот самый, что усиливает поле, возбуждая корону. Последняя внедряет в атмосферу положительный заряд, величина которого пропорциональна не только ее току (как уже отмечалось, очень слабому), но и времени (корона может существовать долго, по крайней мере десятки и сотни секунд - целая вечность в масштабе молнии, пролетающей от облака до земли примерно за 0,01 с). Этот заряд накапливается и, в свою очередь, индуцирует на вершине сооружения другой, противоположного знака. В итоге суммарное количество индуцированного заряда снижается тем значительнее, чем дольше работала корона. Это ослабляет электрическое поле у вершины.

Если б мы захотели выполнить численные расчеты, нужно было бы учесть еще одно важное обстоятельство: с увеличением расстояния от исходного до индуцированного заряда величина последнего уменьшается. Грозовое облако далеко, а корона близко - поэтому она и выигрывает "в конкуренции", препятствуя частому старту восходящих молний от высотных сооружений на поверхности земли.

Действие "зонтика" можно устранить, если нарастить вершину объекта и вывести ее за пределы заряженного слоя короны. Делать это нужно очень быстро, чтобы корона не успела произвести в новом месте другую сколько-нибудь значительную порцию заряда и тем самым "соорудить" очередной "зонт". Техническое решение скоростной надстройки объекта не заставило себя долго ждать. Специалисты придумали разные варианты - от весьма дорогостоящего (мощный лазер пронзает плазменным каналом слой заряда короны) до предельно примитивного (струя электролита, выбрасываемая фонтанирующей форсункой). Однако наиболее популярно инициирование молний с помощью маленьких ракет.

Нацеленная вертикально вверх ракета размером около 1 м стоит на стартовой позиции, дожидаясь, пока электрическое поле в грозовой обстановке не поднимется хотя бы до 10 кВ/м. Тогда подают команду "пуск", и она устремляется в небо со скоростью около 100 м/с, обгоняя любые, даже самые быстрые ионы короны. Поэтому перед ракетой нет заряда, а позади тянется тонкая заземленная проволока, создавая эффект быстро растущей мачты. Когда высота ее достигает 150 - 200 м, стартует восходящая молния, причем для этого необходимы не 30 - 40 ч грозы, как от стационарных сооружений, а всего лишь 3 - 5 с полета. Вот насколько эффективным оказалось освобождение от коронного "зонтика"!

Эксперименты, о которых шла речь, успешно выполняли специалисты многих стран. В последнее время массовые целенаправленные исследования ракетного возбуждения молний (их называют тригерными) проведены во Флориде (США) Мартином Юманом и нашим соотечественником Владимиром Раковым. В 2003 г. в Кембриджском университете издана их монография, где большой раздел посвящен описанным работам. На ту же тему снят документальный фильм, его можно увидеть в России на DVD.

Мы же обратимся к другой стороне проблемы: если корона существует над любым высоким сооружением, а молнии в него все же попадают, значит, такая защита не всесильна и у нее есть слабое место. Надо понять, где оно, и решить, можно ли "приручить" корону на пользу молниезашите.

СЛАБОЕ МЕСТО КОРОННОЙ ЗАЩИТЫ

Вернемся к огням святого Эльма на пиратской мачте. Они могут существовать часами, не усиливаясь и не затухая, а главное, не продвигаясь вверх, к грозовому облаку. Последнее особенно удивительно. Представьте себе, что от вершины башни за счет ионизации вырос совсем маленький плазменный канальчик, став как бы продолжением мачты. Тогда сильное электрическое поле должно переместиться на его конец, и новый "кусочек" плазмы образовался бы уже там. И так шаг за шагом: один сантиметр, второй, один метр, десятки метров, затем сотни... Наверное, так и должна была бы рождаться восходя-

"Ветвь" плазменных ручейков-стримеров рвется из общего "стебля" ввысь: так рождается длинная искра и восходящая молния.

щая молния, если бы не какое-то неучтенное препятствие.

Прибегнем к аналогии. Перед вами оловянный диск, а в руках разогретый паяльник. Ваша цель - получить с помощью последнего ручеек расплавленного металла. Придавливаем жало к краю диска, и олово под ним становится жидким. Сдвигаем раскаленный стержень в новое место - "потек" следующий участок, зато остывает и твердеет старый. Увы, тепла явно не хватает. Нечто подобное происходит и с короной. Сильное электрическое поле исправно ионизует воздух, делая из него проводящую плазму в узком слое у вершины высокого сооружения. Но ее проводимость сохраняется, пока существуют только что народившиеся электроны. А время жизни у них до обидного короткое - в воздухе комнатной температуры около 0,1 мкс. Этого достаточно, чтобы быстрый электрон "прилип" к молекуле кислорода или воды и образовался малоподвижный ион. Проводимость плазмы падает в тысячи раз - все, как в опыте с паяльником.

Словом, мало ионизовать какой-то участок в воздухе, надо обязательно сохранить его проводимость, когда область сильного поля, а вместе с ней и зона ионизации сместится от заземленной вершины вверх. Самый простой способ сделать это - нагреть газ примерно до 5000°С. При такой температуре время жизни электронов практически не ограничено. Однако потребуется энергия, и немалая, а корона с подобной задачей не справляется. Нужна другая, более мощная форма электрического разряда, с сильным током, а главное, с концентрацией значительной энергии в тонком (порядка 10 ^{- 2} см) канале, что даст шанс его разогреть. И природа, как всегда, нашла наиболее простое и эффективное решение. Чтобы разобраться в чем его суть, лучше всего поехать в высоковольтную лабораторию, где не надо неделями ждать грозы, а электрические разряды можно возбуждать хоть каждую минуту. Всероссийский электротехнический институт (Москва) владеет генератором импульсных напряжений в 6 млн. В, которого хватает для развития искровых разрядов длиной больше 100 м. Нас сейчас будет интересовать самое начало процесса. Попытаемся узнать, с чего начинается молния.

Сегодня существует целый арсенал оптической, в том числе электронной аппаратуры для наблюдений за быстрыми процессами. Такая техника способна с хорошим разрешением фиксировать светящиеся явления, возникающие с интервалами в доли наносекунды, для нее тем более не проблематична фотосъемка с экспозицией 5 - 10 нс. Световой импульс можно не только сфотографировать, но и, многократно усилив его яркость, записать в компьютер для последующей обработки. Усиление яркости очень кстати, потому что и длинная искра, и молния стартуют от еле заметной глазу стримерной вспышки (английское слово "stream" означает ручей или поток). И действительно, целая "ветвь" ручейков рвется из общего "стебля". Длина их может быть внушительной, вплоть до метров при напряжении в несколько мегавольт. Каждый ручей-стример прочерчивает волна ионизации, что проносится в воздухе со скоростью до 10 000 км/с. Сравните: космический корабль движется в 1000 раз медленнее!

Красивые и быстрые стримеры, к сожалению, не успевают нагреваться - воздух в объеме их каналов холодный, отчего они очень быстро теряют свои электроны, а вместе с ними и проводимость. Исключение - "стебель", куда стекаются все токи и, действуя общей командой, разогревают его, поддерживая в проводящем состоянии. Именно отсюда затем вырастает восходящая молния на вершине башни, невозможная без стримерной вспышки - ее горячего плазменного зародыша.

Итак, ключ найден - рождение стримера! Вместо тонкого и однородного чехла короны от вершины

сооружения должна стартовать и прокатиться волна ионизации. Но это может произойти только при определенной мощности коронного разряда. Специалисты оценили максимальный ток, при котором возможна трансформация короны в стримерную форму, и ... оказались в полном недоумении. По расчетам, в поле грозовых облаков столь мощная корона в принципе невозможна даже у предельно высоких сооружений вроде телебашен в Москве или Торонто.

Казалось бы, полная бессмыслица: стримерной вспышки нет, а восходящие молнии фиксируют с завидным постоянством. В Останкино, повторю, в среднем 25 раз за грозовой сезон. На ошибку в расчетах или теории мало похоже, ибо все описанное здесь многократно перепроверяли. Значит, нужно искать нечто, не учтенное в предложенной модели.

Долгих поисков не потребовалось. Оказалось, причина - в скорости роста электрического поля атмосферы. Каждая грозовая ячейка облака содержит заряд в десятки кулон. Он рассеян по гидрометеорам - мелким капелькам воды, снежинкам, кристалликам льда и накапливается медленно, за десятки секунд. Но атмосфера "знает" и куда более быстрые изменения поля - за единицы миллисекунд. Их вызывают, например, межоблачные разряды молнии или ее удары в землю недалеко от высотного объекта. Корона реагирует на такие броски поля резким увеличением тока. Его достаточно для возбуждения стримерной вспышки. Дальше все идет по отработанной схеме: межоблачная молния дает старт восходящей. Такое непросто представить, но строгие количественные оценки не оставляют сомнений.

ПРИРУЧЕННАЯ МОЛНИЯ?

Так сформировалась очень соблазнительная концепция управления молниями. Вместо того чтобы воздействовать непосредственно на этот разряд экстремальной мощности, можно руководить слабенькой короной, ей предшествующей. Здесь шансы на успех намного больше. Поэтому не надо удивляться потоку изобретений, что буквально заполонили молниезащиту. К сожалению, подавляющее большинство их бесполезно.

Казалось бы, в научном плане задача предельно ясна, однако практическое исполнение ее очень сложное. Забраться в грозовое облако и изменить там условия старта нисходящей молнии нереально, тем более что место старта на его поверхности нельзя предугадать. От объектов обычной (меньше 100 м) высоты рождаются не восходящие молнии, а менее мощные плазменные каналы - так называемые встречные лидеры*. Это происходит, когда к наземному сооружению приближается канал нисходящей молнии, стартовавшей от грозового облака. На деле она никогда не ударяет в наземный объект - ее перехватывает встречный лидер. Чем больше длина его канала, тем активнее он притягивает молнию. Значит, решили изобретатели, надо заставить встречный лидер стартовать как можно раньше и двигаться быстрее. Для этого придумывали самые разные подходы, вплоть до размещения капсулы с радиоактивным веществом на вершине молниеотвода. По замыслу авторов, излучение из капсулы должно ионизовать воздух у вершины молниеотвода, облегчая путь встречному лидеру. К сожалению, простейшая лабораторная проверка не подтвердила гипотезы.

Попытки устроить радиоактивный молниеотвод остались бесплодными. Но изобретатели не остановились. Сегодня активно рекламируется новое конструктивное решение, названное ESE-молниеотводом (аббревиатура от английских слов "ранняя стримерная эмиссия"). Из вышесказанного суть дела должна быть понятна читателю: авторы опять хотят ускорить старт встречного лидера. На этот раз они делают вершину молниеотвода обоюдоострой и подают на нее дополнительное напряжение в несколько десятков киловольт для того, чтобы максимально усилить электрическое поле на вершине. Однако исследования показали, что ранний старт встречного разряда не гарантирует быстрого прорастания канала навстречу молнии, ибо такой разряд не отрывается от вершины молниеотвода и существует в виде упоминавшихся огней святого Эльма.

В Университете Нью Мехико (США) провели контрольный эксперимент, расставив на вершине горы обычные и ESE-молниеотводы. Несколько лет наблюдений показали, что у последних нет никаких преимуществ.

Между тем эффективные молниеотводы нужны человеку для сохранения современной техники. Задача перехвата молнии на дальних подступах к защищаемой территории становится все актуальнее, потому что иначе трудно справиться с главным ее оружием - электромагнитным полем, повреждающим компьютерные и микропроцессорные цепи. А значит, специалисты продолжают поиски. Впереди новые исследования, новые разочарования и, конечно, надежды на успех.

* См.: В. Фортов. Э. Базелян. Защита от молнии. - Наука в России, 2006, N 5; А. Перунов и др. Теперь молнии не страшны. - Наука в России, 2000, N 2 (прим. ред.).

Публикатор:

Постоянная ссылка для научных работ (для цитирования):

Комментарии: