Piorunochrony do drzew. Powstawanie wyładowań atmosferycznych Oddziaływanie prądów piorunowych

Burza z piorunami – co to jest? Skąd pochodzą błyskawice przecinające całe niebo i groźne grzmoty? Burza jest zjawiskiem naturalnym. Błyskawica, zwana błyskawicą, może tworzyć się wewnątrz chmur (cumulonimbus) lub pomiędzy chmurami. Zwykle towarzyszy im grzmot. Błyskawice kojarzą się z ulewnymi deszczami, silnymi wiatrami i często gradem.

Działalność

Burza to jeden z najniebezpieczniejszych ludzi, a ludzie trafieni piorunem przeżywają tylko w pojedynczych przypadkach.

Na planecie występuje jednocześnie około 1500 burz. Intensywność wyładowań szacuje się na sto uderzeń pioruna na sekundę.

Rozkład burz na Ziemi jest nierówny. Przykładowo na kontynentach jest ich 10 razy więcej niż nad oceanem. Większość (78%) wyładowań atmosferycznych koncentruje się w strefach równikowych i tropikalnych. Burze notuje się szczególnie często w Afryce Środkowej. Ale regiony polarne (Antarktyda, Arktyka) i bieguny piorunów praktycznie nie są widoczne. Intensywność burzy okazuje się być powiązana z ciałem niebieskim. Na średnich szerokościach geograficznych jego szczyt przypada na godziny popołudniowe (w ciągu dnia), latem. Ale minimum odnotowano przed wschodem słońca. Ważne są także cechy geograficzne. Najpotężniejsze ośrodki burzowe znajdują się w Kordylierach i Himalajach (regionach górskich). Roczna liczba „dni burzowych” również jest różna w Rosji. Na przykład w Murmańsku jest ich tylko czterech, w Archangielsku – piętnaście, Kaliningradzie – osiemnaście, Petersburgu – 16, Moskwie – 24, Briańsku – 28, Woroneżu – 26, Rostowie – 31, Soczi – 50, Samarze – 25, Kazań i Jekaterynburg – 28, Ufa – 31, Nowosybirsk – 20, Barnauł – 32, Czyta – 27, Irkuck i Jakuck – 12, Błagowieszczeńsk – 28, Władywostok – 13, Chabarowsk – 25, Jużno-Sachalińsk – 7, Pietropawłowsk- Kamczacki - 1.

Rozwój burzy

Jak to szło? powstaje tylko pod pewnymi warunkami. Musi istnieć przepływ wilgoci w górę i musi istnieć struktura, w której jedna część cząstek jest w stanie lodowym, a druga w stanie ciekłym. W kilku przypadkach wystąpi konwekcja, która doprowadzi do rozwoju burzy.

Nierównomierne nagrzewanie się warstw wierzchnich. Na przykład nad wodą ze znaczną różnicą temperatur. Nad dużymi miastami intensywność burz będzie nieco większa niż w okolicach.

Gdy zimne powietrze wypiera ciepłe. Konwencja frontalna często rozwija się jednocześnie z chmurami pokrywowymi i chmurami nimbostratus.

Kiedy powietrze unosi się w pasmach górskich. Nawet niskie wzniesienia mogą prowadzić do zwiększonego tworzenia się chmur. Jest to wymuszona konwekcja.

Każda chmura burzowa, niezależnie od jej rodzaju, koniecznie przechodzi przez trzy etapy: cumulus, dojrzałość i rozkład.

Klasyfikacja

Przez pewien czas burze klasyfikowano wyłącznie w miejscu obserwacji. Dzielono je np. na ortograficzne, lokalne i czołowe. Obecnie burze klasyfikuje się według cech charakterystycznych w zależności od środowiska meteorologicznego, w którym się rozwijają. powstają w wyniku niestabilności atmosfery. Jest to główny warunek powstania chmur burzowych. Charakterystyka takich przepływów jest bardzo ważna. W zależności od ich mocy i wielkości powstają odpowiednio różne rodzaje chmur burzowych. Jak są podzielone?

1. Cumulonimbus jednokomórkowy (lokalny lub wewnątrzmasowy). Czy występuje grad lub burza z piorunami. Wymiary poprzeczne wahają się od 5 do 20 km, wymiary pionowe - od 8 do 12 km. Taka chmura „żyje” nawet godzinę. Po burzy pogoda praktycznie się nie zmienia.

2. Klaster wielokomórkowy. Tutaj skala jest bardziej imponująca – do 1000 km. Klaster wielokomórkowy obejmuje grupę komórek burzowych znajdujących się na różnych etapach powstawania i rozwoju, a jednocześnie tworzących jedną całość. Jak są zbudowane? W centrum znajdują się dojrzałe komórki burzowe, w centrum komórki rozpadające się, których wymiary poprzeczne mogą sięgać 40 km. Gromady burz wielokomórkowych wytwarzają podmuchy wiatru (burzliwe, ale niezbyt silne), deszcz i grad. Istnienie jednej dojrzałej komórki jest ograniczone do pół godziny, ale sama gromada może „żyć” przez kilka godzin.

3. Linie szkwału. Są to także burze wielokomórkowe. Nazywa się je również liniowymi. Mogą być pełne lub ze szczelinami. Porywy wiatru są tu dłuższe (na krawędzi natarcia). Kiedy się zbliżasz, linia wielokomórkowa pojawia się jako ciemna ściana chmur. Liczba strumieni (zarówno górnych, jak i dolnych) jest tu dość duża. Dlatego taki kompleks burz jest klasyfikowany jako wielokomórkowy, chociaż struktura burzy jest inna. Linia szkwału może powodować intensywne ulewy i duży grad, ale częściej jest „ograniczona” przez silne prądy zstępujące. Często występuje przed frontem chłodnym. Na zdjęciach taki układ ma kształt zakrzywionego łuku.

4. Burze superkomórkowe. Takie burze są rzadkie. Stanowią one szczególne zagrożenie dla mienia i życia ludzkiego. Chmura tego systemu jest podobna do chmury jednokomórkowej, ponieważ obie różnią się jedną strefą prądu wstępującego. Ale ich rozmiary są różne. Chmura superkomórek jest ogromna – ma promień blisko 50 km, a wysokość – do 15 km. Jego granice mogą znajdować się w stratosferze. Kształtem przypomina pojedyncze półkoliste kowadło. Prędkość przepływów w górę jest znacznie większa (do 60 m/s). Charakterystyczną cechą jest obecność rotacji. To właśnie powoduje niebezpieczne, ekstremalne zjawiska (duży grad (ponad 5 cm), niszczycielskie tornada). Głównym czynnikiem powstawania takiej chmury są warunki otoczenia. Mówimy o bardzo mocnej konwencji z temperaturami od +27 i wiatrem o zmiennym kierunku. Takie warunki powstają podczas uskoków wiatru w troposferze. Opady powstające w prądach wstępujących przekazywane są do strefy prądów zstępujących, co zapewnia chmurze długą żywotność. Opady są nierównomiernie rozłożone. W pobliżu prądu wstępującego występują przelotne opady deszczu, a bliżej północnego wschodu grad. Ogon burzy może się przesunąć. Wtedy najbardziej niebezpieczny obszar będzie obok głównego prądu wstępującego.

Istnieje również koncepcja „suchej burzy”. Zjawisko to jest dość rzadkie, charakterystyczne dla monsunów. Przy takiej burzy nie ma opadów (po prostu nie dociera, wyparowuje w wyniku wystawienia na działanie wysokiej temperatury).

Prędkość ruchu

W przypadku izolowanej burzy wynosi ona około 20 km/h, czasem szybciej. Jeśli aktywne są zimne fronty, prędkość może osiągnąć 80 km/h. Podczas wielu burz stare ogniwa burzowe są zastępowane nowymi. Każdy z nich pokonuje stosunkowo krótki dystans (około dwóch kilometrów), ale w sumie dystans ten się zwiększa.

Mechanizm elektryfikacji

Skąd się biorą same pioruny? wokół chmur i w nich, w ciągłym ruchu. Proces ten jest dość skomplikowany. Najprościej wyobrazić sobie pracę ładunków elektrycznych w dojrzałych chmurach. Dominuje w nich struktura dipolowa dodatnia. Jak jest dystrybuowany? Ładunek dodatni znajduje się na górze, a ładunek ujemny znajduje się pod nim, wewnątrz chmury. Zgodnie z główną hipotezą (ten obszar nauki nadal można uznać za mało poznany) cięższe i większe cząstki mają ładunek ujemny, natomiast małe i lekkie mają ładunek dodatni. Te pierwsze spadają szybciej niż te drugie. Powoduje to przestrzenne oddzielenie ładunków kosmicznych. Mechanizm ten potwierdzają eksperymenty laboratoryjne. Cząsteczki ziaren lodu lub gradu mogą wykazywać silne przenoszenie ładunku. Wielkość i znak będą zależeć od zawartości wody w chmurze, temperatury powietrza (otoczenia) i prędkości zderzenia (główne czynniki). Nie można wykluczyć wpływu innych mechanizmów. Wyładowania zachodzą pomiędzy ziemią a chmurą (lub atmosferą neutralną lub jonosferą). To właśnie w tym momencie widzimy błyski przecinające niebo. Albo błyskawica. Procesowi temu towarzyszą głośne grzmoty (grzmoty).

Burza to złożony proces. Badanie tego może zająć wiele dziesięcioleci, a może nawet stuleci.

Drzewa często stają się celem uderzeń piorunów, co czasami prowadzi do bardzo poważnych konsekwencji. Porozmawiamy o niebezpieczeństwach, jakie niesie ze sobą porażenie piorunem zarówno dla samych drzew, jak i żyjących w ich pobliżu ludzi, a także o tym, jak można zmniejszyć ryzyko związane z tym zjawiskiem.

Gdzie uderza piorun?

Na dużej części Ziemi burze są zjawiskiem powszechnym. W tym samym czasie nad Ziemią szaleje około półtora tysiąca burz. Na przykład w Moskwie każdego roku występuje ponad 20 dni burzowych. Ale pomimo znajomości tego naturalnego zjawiska, jego moc nie może powstrzymać się od szoku. Średni prąd pioruna wynosi około 100 000 woltów, a prąd 20 000–50 000 amperów. Temperatura kanału piorunowego sięga 25 000 – 30 000 °C. Nic dziwnego, że piorun uderzający w budynki, drzewa czy ludzi i rozprzestrzeniający się jego ładunek elektryczny często prowadzi do katastrofalnych skutków.

Choć uderzenie pioruna w pojedynczy obiekt naziemny, czy to budynek, maszt, czy drzewo, jest zjawiskiem dość rzadkim, to jego kolosalna niszczycielska siła sprawia, że ​​burze są jednym z najniebezpieczniejszych zjawisk naturalnych dla człowieka. Zatem według statystyk co siódmy pożar na obszarach wiejskich powstaje w wyniku uderzenia pioruna, a pod względem liczby zarejestrowanych zgonów spowodowanych klęskami żywiołowymi pioruny zajmują drugie miejsce, zaraz po powodziach.

Prawdopodobieństwo uszkodzenia obiektów naziemnych (w tym drzew) przez piorun zależy od kilku czynników:

• od intensywności aktywności burzowej w regionie (związanej z charakterystyką klimatu);
• na wysokości obiektu (im wyższy, tym większe prawdopodobieństwo uderzenia pioruna);
• od oporności elektrycznej obiektu i znajdujących się pod nim warstw gleby (im niższy opór elektryczny obiektu i znajdujących się pod nim warstw gleby, tym większe prawdopodobieństwo wyładowania atmosferycznego).

Z powyższego jasno wynika, dlaczego drzewa często stają się celem piorunów: drzewo jest często dominującym elementem wysokościowym płaskorzeźby; nasycone wilgocią żywe drewno, połączone z głębokimi warstwami gleby o niskim oporze elektrycznym, często stanowi dobrze uziemiony naturalny piorunochron.

Aktywność burzowa w niektórych miejscowościach regionu moskiewskiego

Miejscowość	Średni roczny czas trwania burz, godz	Specyficzna gęstość uderzeń pioruna na 1 km²	Ogólna charakterystyka aktywności burzowej
Wołokołamsk	40–60	4	wysoki
Istra	40–60	4	wysoki
Nowe Jeruzalem	40–60	4	wysoki
Pawłowski Posad	20–40	2	przeciętny
Moskwa	20–40	2	przeciętny
Kashira	20–40	2	przeciętny

Jakie jest niebezpieczeństwo uderzenia pioruna w drzewo?

Konsekwencje uderzenia pioruna w drzewo często są katastrofalne zarówno dla niego samego, jak i dla pobliskich budynków, a także stwarzają duże zagrożenie dla osób znajdujących się w tym momencie w pobliżu. Kiedy przez drewno przechodzi silny ładunek elektryczny, następuje silne uwolnienie ciepła i gwałtowne odparowanie wilgoci wewnątrz pnia. Efektem tego są uszkodzenia o różnym stopniu nasilenia: od powierzchownych przypaleń czy pęknięć po całkowite rozłupanie pnia lub pożar drzewa. W niektórych przypadkach dochodzi do znacznych uszkodzeń mechanicznych wewnątrz pnia (pęknięcia podłużne lub rozłupywanie drewna wzdłuż słojów), które są praktycznie niewidoczne podczas oględzin zewnętrznych, ale znacznie zwiększają ryzyko upadku drzewa w najbliższej przyszłości. Często poważne, ale niezauważalne po oględzinach, może wystąpić uszkodzenie korzeni drzewa.

Jeśli uszkodzenie pioruna nie doprowadzi do natychmiastowego zniszczenia lub śmierci drzewa, rozległe obrażenia, jakie otrzymuje, mogą spowodować rozwój niebezpiecznych chorób, takich jak zgnilizna, choroby naczyniowe, a osłabiona roślina staje się łatwym łupem szkodników łodygowych. Może to spowodować, że drzewo stanie się niebezpieczne lub wyschnie.

Uderzenia piorunów w drzewa (w tym żywe) często powodują pożary, które rozprzestrzeniają się na pobliskie budynki. Czasami wyładowanie boczne z drzewa jest przenoszone na ścianę budynku, nawet jeśli jest na nim zainstalowany piorunochron. Wreszcie potencjał elektryczny porażonego drzewa rozprzestrzenia się na powierzchniowe warstwy gleby, co może spowodować przedostanie się go do budynku, uszkodzenie podziemnych instalacji lub porażenie prądem ludzi lub zwierząt domowych.

Uderzenie pioruna w drzewo może spowodować znaczne szkody materialne, nawet jeśli nie nastąpi zagrożenie. Przecież ocena bezpieczeństwa takiego drzewa, szczególna pielęgnacja, czy nawet proste usunięcie uschniętego lub beznadziejnie chorego drzewa może wiązać się ze znacznymi kosztami materiałowymi.

Czasami wyładowanie boczne z drzewa jest przenoszone na ścianę budynku, nawet jeśli jest na nim zainstalowany piorunochron.

Kwestie regulacyjne

Tym samym ochrona odgromowa szczególnie cennych drzew (stanowiących centrum kompozycji krajobrazowych, historycznych i rzadkich) lub drzew rosnących w pobliżu zabudowy mieszkaniowej może być praktycznie uzasadniona. Jednakże ramy prawne nakazujące lub regulujące ochronę odgromową drzew są w naszym kraju całkowicie nieobecne. Taki stan rzeczy jest raczej konsekwencją inercji krajowych ram regulacyjnych niż właściwej oceny zagrożeń związanych z uszkodzeniami drzew przez pioruny w środowisku zurbanizowanym.

Główna aktualna krajowa norma dotycząca ochrony odgromowej sięga 1987 roku. Podejście do ochrony odgromowej obszarów podmiejskich w tym dokumencie odzwierciedla realia i stanowisko tamtych czasów: wartość materialna większości budynków podmiejskich była niewielka, a interesy państwa skupiały się na ochronie własności publicznej, a nie prywatnej. Ponadto kompilatorzy standardów krajowych wyszli z założenia, że ​​podczas budowy mieszkań podmiejskich przestrzegane są przepisy budowlane i przepisy budowlane, ale nie zawsze tak jest. W szczególności minimalna odległość pnia drzewa od ściany budynku powinna wynosić co najmniej 5 m. W realiach budownictwa podmiejskiego domy często znajdują się blisko drzew. Co więcej, właściciele takich drzew z reguły niechętnie wyrażają zgodę na ich usunięcie.

W innych krajach istnieją standardy ochrony odgromowej: na przykład amerykański - ANSI A 300 Część 4 lub brytyjski – Norma brytyjska Nr 6651 reguluje również ochronę odgromową drzew.

Minimalna odległość pnia drzewa od ściany budynku musi wynosić co najmniej 5 m.

Kiedy potrzebna jest ochrona?

W jakich przypadkach warto pomyśleć o ochronie odgromowej drzewa? Wymieniamy czynniki, na podstawie których można rekomendować taką decyzję.

Drzewo rośnie na terenach otwartych lub zauważalnie wyżej niż sąsiednie drzewa, budynki, konstrukcje i elementy reliefowe. W obiekty znajdujące się na większej wysokości pioruny częściej uderzają.

Obszar o dużej aktywności burzowej. Przy dużej częstotliwości burz wzrasta prawdopodobieństwo uszkodzenia drzew (a także innych obiektów). Głównymi cechami aktywności burzowej są średnia roczna liczba godzin burzowych, a także średnia gęstość właściwa uderzeń pioruna w ziemię (średnia roczna liczba uderzeń pioruna na 1 km²) powierzchni ziemi. Ten ostatni wskaźnik służy do obliczenia przewidywanej liczby uszkodzeń obiektu (w tym drzewa) od piorunów w ciągu roku. Na przykład w przypadku obszaru o średnim czasie trwania burzy wynoszącym 40–60 godzin rocznie (w szczególności w niektórych obszarach obwodu moskiewskiego) można spodziewać się uszkodzenia drzewa o wysokości 25 m raz na 20 lat.

Lokalizacja działki w pobliżu zbiorników wodnych, podziemnych źródeł, duża wilgotność gleby na działce . Takie rozwiązanie dodatkowo zwiększa ryzyko uderzenia pioruna w drzewo.

Wysokie drzewo rośnie trzy metry lub mniej od budynku. Takie ułożenie drzewa nie wpływa na prawdopodobieństwo uderzenia pioruna. Jednakże uszkodzenia drzew znajdujących się w pobliżu budynków stwarzają istotne zagrożenie zarówno dla samych budynków, jak i przebywających w nich ludzi. Jednocześnie wzrasta ryzyko uszkodzenia budynku przez wyładowanie boczne; ryzyko uszkodzenia dachu w przypadku upadku drzewa jest bardzo wysokie; w przypadku zapalenia się ogień może rozprzestrzenić się na budynek.

Gałęzie drzew zwisają nad dachem budynku, dotykają jego ścian, daszków, rynien czy elementów dekoracyjnych elewacji. W takim przypadku wzrasta również ryzyko uszkodzenia budynku, pożaru i przeniesienia wyładowań do domu.

Drzewo jest gatunkiem, na który często lub regularnie uderzają pioruny . Niektóre gatunki drzew są bardziej narażone na uderzenie pioruna niż inne. W dęby najczęściej uderzają pioruny.

Korzenie drzewa rosnącego obok budynku mogą mieć kontakt z fundamentem podziemnym lub instalacjami prowadzącymi do domu.. W takim przypadku, gdy piorun uderzy w drzewo, wzrasta prawdopodobieństwo „przeniesienia” wyładowania do pomieszczeń lub uszkodzenia komunikacji (na przykład czujników systemu nawadniającego i sieci elektrycznych).

Specjaliści od ochrony odgromowej budynków zalecają montaż piorunochronu wolnostojącego, natomiast w odległości od 3 do 10 m znajdują się drzewa o odpowiedniej wysokości i innych parametrach umożliwiających montaż piorunochronu i przewodu odprowadzającego. Zainstalowanie oddzielnego masztu może być dość kosztowne. Dla wielu właścicieli domów wiejskich takie maszty są również nie do przyjęcia pod względem estetycznym. I wreszcie postawienie masztu na terenie leśnym w taki sposób, aby podczas jego budowy nie doszło do uszkodzenia korzeni drzew lub odciągów nie utrudniających przemieszczania się ludzi, może być bardzo trudne.

Podatność na uszkodzenia niechronionych drzew niektórych gatunków
(ze standardowego ANSI A 300, Część 4)

Zasada działania

Zasada działania instalacji odgromowej polega na tym, że wyładowanie piorunowe jest „przechwytywane” przez piorunochron, bezpiecznie przeprowadzane przez przewód odprowadzający i przekazywane do głębokich warstw gruntu za pomocą uziemienia.

Elementami drzewnej instalacji odgromowej są: zwód odgromowy (jeden lub więcej), przewód odprowadzający napowietrzny, przewód odprowadzający podziemny oraz system uziemiający składający się z kilku prętów lub płytek uziemiających.

Opracowując własne systemy ochrony odgromowej stanęliśmy przed koniecznością połączenia krajowych norm ochrony odgromowej budynków i budowli z zachodnimi normami regulującymi ochronę odgromową drzew. Konieczność takiego połączenia wynika z faktu, że obecne normy krajowe nie zawierają zaleceń dotyczących instalowania instalacji odgromowej na drzewach, a starsze przepisy zawierają instrukcje stwarzające zagrożenie dla zdrowia drzewa. Jednocześnie amerykańska norma ANSI A 300, która zawiera szczegółowe informacje dotyczące montażu systemu na drzewie oraz zasad jego montażu i konserwacji, stawia niższe wymagania dotyczące bezpieczeństwa elektrycznego systemu w porównaniu do norm krajowych.

Elementy instalacji odgromowej wykonane są z miedzi lub stali nierdzewnej. W tym przypadku, aby uniknąć korozji, we wszystkich połączeniach i stykach pomiędzy elementami przewodzącymi stosuje się tylko jeden z wybranych materiałów. Jednakże w przypadku stosowania miedzi dozwolone jest stosowanie elementów mocujących z brązu. Komponenty miedziane są droższe, ale mają większą przewodność, co pozwala na stosowanie mniejszych komponentów, mniej widocznych i zmniejsza koszty instalacji systemu.

Według statystyk co siódmy pożar na obszarach wiejskich powstaje w wyniku uderzenia pioruna, a pod względem liczby zarejestrowanych zgonów spowodowanych klęskami żywiołowymi pioruny zajmują drugie miejsce, zaraz po powodziach.

Elementy systemu

Piorunochron to metalowa rura zamknięta na końcu. Przewód odprowadzający wchodzi do wnętrza piorunochronu i jest do niego przymocowany za pomocą śrub.

W przypadku drzew z rozłożystą koroną mogą być konieczne dodatkowe odbiorniki prądu, ponieważ w tym przypadku wyładowanie atmosferyczne może uderzyć w gałęzie lub wierzchołki oddalone od piorunochronu. Jeśli drzewo posiada mechaniczny system podparcia gałęzi oparty na metalowych kablach, to przy wykonywaniu ochrony odgromowej należy je również uziemić. W tym celu mocuje się do niego dodatkowy przewód prądowy za pomocą styku śrubowego. Należy wziąć pod uwagę, że bezpośredni kontakt miedzi z kablem ocynkowanym jest niedopuszczalny, gdyż prowadzi do korozji.

Przewody odprowadzające od piorunochronów i styki dodatkowe łączone są za pomocą specjalnych styków zaciskowych lub połączeń śrubowych. Zgodnie z normą ANSI A 300 do ochrony odgromowej drzew stosuje się przewody odprowadzające w postaci litych linek stalowych o różnych splotach. Zgodnie z krajowymi normami minimalny efektywny przekrój przewodu odprowadzającego miedzianego wynosi 16 mm², minimalny przekrój efektywny przewodu odprowadzającego stalowego wynosi 50 mm. Podczas układania przewodów przez drewno należy unikać ich ostrych załamań. Niedopuszczalne są zagięcia przewodu odprowadzającego pod kątem mniejszym niż 900, promień krzywizny zagięcia nie powinien być mniejszy niż 20 cm.

Przewody odprowadzające mocuje się do pnia za pomocą metalowych zacisków, wkopanych kilka centymetrów w drewno pnia. Materiał zacisków nie powinien powodować korozji stykowej po podłączeniu do przewodu odprowadzającego. Niemożliwe jest przymocowanie przewodników poprzez przywiązanie ich do drzewa drutem, ponieważ promieniowy wzrost pnia doprowadzi do uszkodzeń słojów i wysychania drzewa. Sztywne mocowanie przewodów odprowadzających do powierzchni pnia (za pomocą zszywek) spowoduje ich wrastanie w pień, zmniejszając trwałość i bezpieczeństwo systemu oraz rozwój rozległego zgnilizny pędów. Optymalną opcją mocowania systemu jest montaż zacisków dynamicznych. W tym przypadku wraz ze wzrostem średnicy pnia uchwyty z linkami dociskają się automatycznie do końca pręta pod wpływem nacisku tkanki drzewnej. Należy pamiętać, że wbicie kołków zacisków o kilka centymetrów w drewno i późniejsze ich częściowe zatopienie drewnem praktycznie nie powoduje mu żadnej szkody.

Przewody dolne schodzą w dół pnia do podstawy i są zakopane w rowie.

Minimalna głębokość wykopu dla podziemnej części przewodu odprowadzającego, określona w normie ANSI A 300, wynosi 20 cm.Wykop wykopuje się ręcznie, zachowując maksymalną liczbę korzeni. W przypadkach, gdy uszkodzenie korzeni jest szczególnie niepożądane, do budowy rowu należy zastosować specjalny sprzęt. Nóż powietrzny to na przykład narzędzie kompresorowe przeznaczone do wykonywania prac wykopaliskowych w obszarze pnia drzewa. Dzięki silnemu, skupionemu strumieniowi powietrza urządzenie jest w stanie usunąć cząsteczki gleby, nie uszkadzając nawet najdrobniejszych korzeni drzew.

Rodzaj i parametry urządzenia uziemiającego oraz odległość, na jaką powinien do niego przebiegać przewód odprowadzający, zależą od właściwości gruntu. Wynika to z konieczności zmniejszenia rezystancji uziemienia impulsu do wymaganego poziomu – oporu elektrycznego na rozprzestrzenianie się impulsu prądu elektrycznego od elektrody uziemiającej. Według krajowych standardów w miejscach regularnie odwiedzanych przez ludzi rezystancja ta nie powinna przekraczać 10 omów. Ta wartość rezystancji uziemienia powinna wykluczać przebicia iskrowe prądu z podziemnego przewodu odprowadzającego i elektrody uziemiającej do powierzchni gleby, a tym samym zapobiegać uszkodzeniom ludzi, budynków i komunikacji przez prąd elektryczny. Głównym wskaźnikiem gleby decydującym o wyborze schematu uziemienia jest rezystywność gleby - rezystancja między dwiema powierzchniami 1 m3 ziemi, gdy przepływa przez nią prąd.

Im wyższa rezystywność gleby, tym bardziej rozbudowany musi być system uziemiający, aby zapewnić bezpieczny przepływ ładunku elektrycznego. Na glebach o niskiej rezystywności - do 300 omów (gliny, gliny, tereny podmokłe) - z reguły stosuje się system uziemiający składający się z dwóch pionowych prętów uziemiających połączonych przewodem odprowadzającym. Pomiędzy prętami utrzymuje się odległość co najmniej 5 m. Długość prętów wynosi 2,5–3 m, górny koniec pręta jest cofnięty o 0,5 m.

Na glebach o wysokich wartościach rezystywności (glina piaszczysta, piasek, żwir) stosuje się wielobelkowe systemy uziemiające. W celu ograniczenia możliwej głębokości uziemienia stosuje się płytki uziemiające. Aby ułatwić kontrolę i testowanie niezawodności uziemienia, nad elementami uziemiającymi instaluje się małe studnie.

Rezystywność gleby nie jest wartością stałą, jej wartość silnie zależy od wilgotności gleby. Dlatego w porze suchej niezawodność uziemienia może się zmniejszyć. Aby temu zapobiec, stosuje się kilka technik. Najpierw, jeśli to możliwe, w obszarze podlewania umieszcza się pręty uziemiające. Po drugie, górna część pręta jest zakopana 0,5 m pod powierzchnią gleby (górne 0,5 m gleby jest najbardziej podatne na wysychanie). Po trzecie, jeśli to konieczne, do gleby dodaje się bentonit - naturalny składnik zatrzymujący wilgoć. Bentonit to małe koloidalne cząstki glinki mineralnej, których przestrzeń porów dobrze zatrzymuje wilgoć i stabilizuje wilgotność gleby.

Nasycone wilgocią żywe drewno, połączone z głębokimi warstwami gleby o niskim oporze elektrycznym, często stanowi dobrze uziemiony naturalny piorunochron.

Typowe błędy

W praktyce domowej rzadko stosuje się ochronę odgromową drzew, a jeśli mimo to jest ona wykonywana, podczas jej projektowania popełnia się szereg poważnych błędów. Dlatego z reguły metalowe pręty służą jako piorunochrony, mocowane do drzewa za pomocą drutu lub metalowych obręczy. Ta opcja mocowania prowadzi do poważnych uszkodzeń pierścieniowych pnia, które z czasem prowadzą do całkowitego wyschnięcia drzewa. Pewne niebezpieczeństwo stwarza także wrastanie przewodu odprowadzającego w pień drzewa, co powoduje powstanie rozległych, otwartych ran podłużnych na pniu.

Ponieważ instalację odgromową na drzewach wykonują elektrycy, do wspinania się na drzewo zwykle używają gaf (raków) - butów z metalowymi kolcami, które powodują poważne obrażenia drzewa.

Niestety ignoruje się również cechy korony drzewa: z reguły nie bierze się pod uwagę konieczności instalowania kilku piorunochronów na drzewach wielokolumnowych o szerokich koronach, nie bierze się również pod uwagę wad strukturalnych w rozgałęzieniach drzewa konta, co często prowadzi do zerwania i upadku blatu z zamontowanym piorunochronem.

Ochrony odgromowej drzew nie można nazwać powszechną praktyką. Wskazania do jego wdrożenia są dość rzadkie na obszarach o umiarkowanej aktywności burzowej. Niemniej jednak w przypadkach, gdy konieczna jest ochrona odgromowa drzew, niezwykle istotne jest jej prawidłowe wykonanie. Projektując i instalując takie systemy, należy wziąć pod uwagę nie tylko niezawodność samego piorunochronu, ale także bezpieczeństwo systemu dla chronionego drzewa.

Ostateczna niezawodność ochrony odgromowej będzie zależeć zarówno od prawidłowego doboru jej materiałów, styków i uziemienia, jak i od stabilności samego drzewa. Tylko biorąc pod uwagę specyfikę budowy korony, wzrost promieniowy i lokalizację systemu korzeniowego drzewa, możliwe jest stworzenie systemu ochrony odgromowej, który będzie niezawodny i nie powoduje niebezpiecznych obrażeń drzewa, a zatem nie tworzy niepotrzebne ryzyko dla osób mieszkających w pobliżu.

Ministerstwo Edukacji Federacji Rosyjskiej
Kazański Uniwersytet Państwowy
Wydział Geografii i Ekologii
Katedra Meteorologii, Klimatologii i Ekologii Atmosfery
Aktywność burzowa w Predkamie
Praca na kursie
Studentka III roku, gr. 259 Chimczenko D.V.

Opiekun naukowy Profesor nadzwyczajny Tudriy V.D. ________
Kazań 2007
Treść

Wstęp
1. Aktywność burzowa
1.1. Charakterystyka burz
1.2. Burza, jej wpływ na człowieka i gospodarkę narodową
1.3. Burze i aktywność słoneczna
2. Metody pozyskiwania i przetwarzania danych wyjściowych
2.1. Uzyskanie materiału wyjściowego
2.2. Podstawowe charakterystyki statystyczne
2.3. Charakterystyka statystyczna wskaźników aktywności burzowej
2.4. Rozkład podstawowych charakterystyk statystycznych
2.5. Analiza trendów
2.6. Zależność regresji liczby dni z burzami od liczb Wolfa
Wniosek
Literatura
Aplikacje
Wstęp

Typowy rozwój chmur Cumulonimbus i opady z nich związane są z silnymi przejawami elektryczności atmosferycznej, a mianowicie z wielokrotnymi wyładowaniami elektrycznymi w chmurach lub pomiędzy chmurami a Ziemią. Takie wyładowania iskrowe nazywane są błyskawicami, a towarzyszące im dźwięki nazywane są grzmotami. Cały proces, któremu często towarzyszą krótkotrwałe wzmożenia wiatru – szkwały, nazywany jest burzą.
Burze powodują ogromne szkody w gospodarce narodowej. Ich badaniom poświęca się wiele uwagi. Na przykład w głównych kierunkach rozwoju gospodarczego i społecznego ZSRR w latach 1986-1990. i najważniejsze wydarzenia przewidziano na okres do roku 2000. Wśród nich szczególnego znaczenia nabrały badania zjawisk pogodowych niebezpiecznych dla gospodarki narodowej oraz doskonalenia metod ich prognozowania, w tym burz i towarzyszących im ulew, gradu i szkwałów. Obecnie wiele uwagi poświęca się także zagadnieniom związanym z działalnością burzową i ochroną odgromową.
W działalność burzową zaangażowanych było wielu naukowców z kraju i zagranicy. Ponad 200 lat temu B. Franklin ustalił elektryczną naturę burz, ponad 200 lat temu M.V. Łomonosow przedstawił pierwszą teorię procesów elektrycznych podczas burzy. Mimo to nadal nie ma zadowalającej ogólnej teorii burz.
Wybór padł na ten temat nieprzypadkowo. W ostatnim czasie wzrasta zainteresowanie działalnością burzową, na co składa się wiele czynników. Wśród nich: bardziej szczegółowe badania fizyki burz, doskonalenie prognoz burzowych i metod ochrony odgromowej itp.
Celem zajęć jest zbadanie czasowych cech rozkładu i zależności regresji aktywności burzowej od liczb Wolfa w różnych okresach i różnych regionach regionu Predkamye.
Cele zajęć
1. Utwórz na nośnikach technicznych bank danych dotyczący liczby dni z burzą z dyskretyzacją dziesięciodniową jako główną charakterystykę aktywności burzowej oraz liczby Wolfa jako główną cechę aktywności słonecznej.
2. Oblicz główne cechy statystyczne reżimu burzowego.
3. Znajdź równanie trendu liczby dni z burzami.
4. Znajdź równanie regresji dla liczby dni z burzami w liczbach Predkamye i Wolfa.
Rozdział 1. Aktywność burzowa
1.1 Charakterystyka burz

Główne cechy burz to: liczba dni z burzami i częstotliwość burz.
Burze są szczególnie częste nad lądem w tropikalnych szerokościach geograficznych. Są obszary, gdzie burze występują przez 100–150 lub więcej dni w roku. Na oceanach w tropikach burz jest znacznie mniej, około 10-30 dni w roku. Cyklonom tropikalnym zawsze towarzyszą silne burze, ale same zakłócenia są rzadko obserwowane.
Na subtropikalnych szerokościach geograficznych, gdzie panuje wysokie ciśnienie, burz jest znacznie mniej: na lądzie występuje 20-50 dni z burzami w roku, nad morzem 5-20 dni. W umiarkowanych szerokościach geograficznych burze występują przez 10–30 dni na lądzie i 5–10 dni na morzu. Na polarnych szerokościach geograficznych burze są zjawiskiem odosobnionym.
Spadek liczby burz z niskich do wysokich szerokości geograficznych wiąże się ze spadkiem zawartości wody w chmurach wraz z szerokością geograficzną w wyniku spadku temperatury.
W tropikach i subtropikach burze najczęściej obserwuje się w porze deszczowej. W umiarkowanych szerokościach geograficznych nad lądem największa częstotliwość burz występuje latem, kiedy silnie rozwija się konwekcja w lokalnych masach powietrza. Zimą burze w umiarkowanych szerokościach geograficznych są bardzo rzadkie. Ale nad oceanem burze powstające w masach zimnego powietrza podgrzewanych od dołu ciepłą wodą mają maksymalną częstotliwość występowania w zimie. Na dalekim zachodzie Europy (Wyspy Brytyjskie, wybrzeże Norwegii) zimowe burze są również powszechne.
Szacuje się, że na kuli ziemskiej jednocześnie występuje 1800 burz i co sekundę dochodzi do około 100 uderzeń pioruna. Burze częściej obserwuje się w górach niż na równinach.
1.2 Burza, jej wpływ na ludzi i gospodarkę narodową

Burza to jedno z tych zjawisk naturalnych, które zauważa najbardziej nieuważna osoba. Jego niebezpieczne skutki są powszechnie znane. Mniej wiadomo o jego dobroczynnym działaniu, chociaż odgrywają one znaczącą rolę. Obecnie problem prognozowania burz i związanych z nimi niebezpiecznych zjawisk konwekcyjnych wydaje się najpilniejszym i jednym z najtrudniejszych w meteorologii. Główne trudności w rozwiązaniu tego problemu polegają na nieciągłości rozkładu burz i złożoności związku pomiędzy burzami a licznymi czynnikami wpływającymi na ich powstawanie. Rozwój burz wiąże się z rozwojem konwekcji, która jest bardzo zmienna w czasie i przestrzeni. Prognozowanie burz jest również skomplikowane, ponieważ oprócz przewidywania sytuacji synoptycznej należy przewidzieć rozwarstwienie i wilgotność powietrza na wysokościach, grubość warstwy chmur i maksymalną prędkość prądu wstępującego. Należy wiedzieć, jak zmienia się aktywność burz w wyniku działalności człowieka. Wpływ burzy na ludzi, zwierzęta, różne działania; Zagadnienia związane z ochroną odgromową są istotne także w meteorologii.
Zrozumienie natury burz jest ważne nie tylko dla meteorologów. Badanie procesów elektrycznych w tak gigantycznych – w porównaniu do skali laboratoriów – objętościach pozwala ustalić bardziej ogólne prawa fizyczne natury wyładowań wysokonapięciowych i wyładowań w chmurach aerozolu. Tajemnicę błyskawicy kulistej można odkryć jedynie poprzez zrozumienie procesów zachodzących podczas burzy.
Ze względu na pochodzenie burze dzielimy na śródmasowe i frontalne.
Burze wewnątrzmasowe występują w dwóch postaciach: w masach zimnego powietrza przemieszczających się na ciepłą powierzchnię ziemi oraz w lecie na nagrzanym lądzie (burze lokalne lub termiczne). W obu przypadkach wystąpienie burzy wiąże się z silnym rozwojem chmur konwekcyjnych, a co za tym idzie, z dużą niestabilnością stratyfikacji atmosferycznej i silnymi pionowymi ruchami powietrza.
Burze czołowe kojarzone są przede wszystkim z frontami zimnymi, podczas których ciepłe powietrze jest wypychane do góry przez napływające zimne powietrze. Latem nad lądem często kojarzą się z frontami ciepłymi. Ciepłe powietrze kontynentalne unoszące się latem nad powierzchnią ciepłego frontu może być bardzo niestabilne i rozwarstwione, w związku z czym nad powierzchnią frontu może wystąpić silna konwekcja.
Znane są następujące działania piorunów: termiczne, mechaniczne, chemiczne i elektryczne.
Temperatura pioruna sięga od 8 000 do 33 000 stopni Celsjusza, a więc ma duży wpływ termiczny na otoczenie. Na przykład w samych Stanach Zjednoczonych piorun powoduje co roku około 10 000 pożarów lasów. Jednak w niektórych przypadkach te pożary są korzystne. Na przykład w Kalifornii częste pożary już dawno wyczyściły lasy z porostów: były one nieistotne i nieszkodliwe dla drzew.
Przyczyną wystąpienia sił mechanicznych podczas uderzenia pioruna jest gwałtowny wzrost temperatury, ciśnienia gazów i par, które powstają w miejscu przejścia prądu piorunowego. I tak na przykład, gdy piorun uderza w drzewo, sok drzewny po przejściu przez nie prądu przechodzi w stan gazowy. Co więcej, przejście to ma charakter wybuchowy, w wyniku czego pień drzewa pęka.
Działanie chemiczne pioruna jest niewielkie i wynika z elektrolizy pierwiastków chemicznych.
Najbardziej niebezpiecznym działaniem dla żywych istot jest działanie elektryczne, ponieważ w wyniku tego działania uderzenie pioruna może doprowadzić do śmierci żywej istoty. Kiedy piorun uderza w niechronione lub słabo zabezpieczone budynki lub urządzenia, prowadzi to do śmierci ludzi lub zwierząt w wyniku wytworzenia się wysokiego napięcia w poszczególnych obiektach, w tym celu wystarczy, że osoba lub zwierzę ich dotknie lub znajdzie się w ich pobliżu. Piorun uderza w człowieka nawet podczas małych burz, a każde bezpośrednie uderzenie jest dla niego zwykle śmiertelne. Po pośrednim uderzeniu pioruna osoba zwykle nie umiera, ale nawet w tym przypadku konieczna jest szybka pomoc, aby uratować mu życie.
Pożary lasów, uszkodzone linie energetyczne i komunikacyjne, uszkodzone samoloty i statki kosmiczne, płonące magazyny ropy naftowej, uprawy rolne zniszczone przez grad, dachy zerwane przez wichury, ludzie i zwierzęta zabite przez uderzenia pioruna – to nie pełna lista konsekwencji z tym związanych z sytuacją burzową.
Szkody spowodowane przez piorun w ciągu zaledwie jednego roku na całym świecie szacuje się na miliony dolarów. W związku z tym opracowywane są nowe, bardziej zaawansowane metody ochrony odgromowej i dokładniejsze prognozy burzowe, co z kolei prowadzi do bardziej dogłębnego badania procesów burzowych.
1.3 Burze i aktywność słoneczna

Naukowcy od dawna badają połączenia Słońca z Ziemią. Logicznie doszli do wniosku, że nie wystarczy uważać Słońca jedynie za źródło energii promienistej. Energia słoneczna jest głównym źródłem większości zjawisk fizykochemicznych w atmosferze, hydrosferze i powierzchniowej warstwie litosfery. Naturalnie, gwałtowne wahania ilości tej energii wpływają na te zjawiska.
Astronom z Zurychu R. Wolf (R. Wolf, 1816-1893) brał udział w usystematyzowaniu danych dotyczących aktywności Słońca. Ustalił, że według średniej arytmetycznej okres maksymalnej i minimalnej liczby plam słonecznych – maksimum i minimum aktywności słonecznej – wynosi jedenaście lat.
Wzrost procesu tworzenia plam od punktu minimalnego do maksymalnego następuje w skokach z ostrymi wzlotami i upadkami, przesunięciami i przerwami. Skoki stale rosną i w momencie maksimum osiągają swoje najwyższe wartości. Te skoki w pojawianiu się i znikaniu plam są najwyraźniej odpowiedzialne za wiele efektów zachodzących na Ziemi.
Najbardziej charakterystyczną cechą intensywności aktywności słonecznej, zaproponowaną przez Rudolfa Wolfa w 1849 r., jest liczba Wolfa, czyli tak zwana liczba plam słonecznych w Zurychu. Oblicza się ją ze wzoru W=k*(f+10g), gdzie f to liczba plam zaobserwowanych na dysku Słońca, g to liczba utworzonych przez nie grup, k to współczynnik normalizacji wyprowadzony dla każdego obserwatora i teleskopu aby móc dzielić się znalezionymi przez nie wartościami względnymi Liczby Wolfa. Przy obliczaniu f każdy rdzeń („cień”) oddzielony od sąsiedniego rdzenia półcieniem, a także każdy por (mała plamka bez półcienia) są uważane za plamy. Przy obliczaniu g pojedynczy punkt, a nawet pojedynczy por są uważane za grupę.
Z tego wzoru jasno wynika, że ​​indeks Wolfa jest sumarycznym indeksem, który daje ogólną charakterystykę aktywności plam słonecznych. Nie uwzględnia bezpośrednio jakościowej strony aktywności słonecznej, tj. moc plam i ich stabilność w czasie.
Bezwzględna liczba Wolfa, tj. liczona przez konkretnego obserwatora, jest obliczana jako suma iloczynu liczby dziesięć przez całkowitą liczbę grup plam słonecznych, przy czym każda pojedyncza plama jest liczona jako grupa, oraz całkowitą liczbę zarówno pojedynczych, jak i grup plam słonecznych. Względną liczbę Wolfa wyznacza się poprzez pomnożenie bezwzględnej liczby Wolfa przez współczynnik normalizacji, który jest wyznaczany dla każdego obserwatora i jego teleskopu.
Odtworzone ze źródeł historycznych, począwszy od połowy XVI wieku, kiedy zaczęto obliczać liczbę plam słonecznych, informacje umożliwiały uzyskanie średniej liczby Wilków dla każdego ostatniego miesiąca. Umożliwiło to określenie charakterystyki cykli aktywności Słońca od tamtego czasu aż do czasów współczesnych.
Okresowa aktywność Słońca ma bardzo zauważalny wpływ na liczbę i najwyraźniej intensywność burz. Te ostatnie to widoczne wyładowania elektryczne w atmosferze, którym zwykle towarzyszą grzmoty. Piorun odpowiada wyładowaniu iskrowemu maszyny elektrostatycznej. Powstawanie burzy jest związane z kondensacją wody. pary w atmosferze. Wznoszące się masy powietrza są chłodzone adiabatycznie i to chłodzenie często następuje do temperatury poniżej punktu nasycenia. Dlatego nagle może nastąpić kondensacja pary, tworzą się kropelki, tworząc chmurę. Z drugiej strony, aby doszło do kondensacji pary, konieczna jest obecność w atmosferze jąder lub ośrodków kondensacji, którymi mogą być przede wszystkim cząstki pyłu.
Widzieliśmy powyżej, że ilość pyłu w górnych warstwach powietrza może być częściowo zdeterminowana stopniem intensywności procesu powstawania plam słonecznych na Słońcu. Ponadto w okresach przejścia plam słonecznych przez dysk słoneczny wzrasta również ilość promieniowania ultrafioletowego ze Słońca. Promieniowanie to jonizuje powietrze, a jony stają się również jądrami kondensacji.
Następnie w kropelkach wody następują procesy elektryczne, które uzyskują ładunek elektryczny. Jedną z przyczyn powstawania tych ładunków jest adsorpcja lekkich jonów powietrza przez kropelki wody. Znaczenie tej adsorpcji jest jednak drugorzędne i bardzo nieistotne. Zauważono także, że pojedyncze krople łączą się w strumień pod wpływem silnego pola elektrycznego. W związku z tym wahania natężenia pola i zmiana jego znaku mogą mieć pewien wpływ na kropelki. Prawdopodobnie w ten sposób powstają wysoko naładowane kropelki podczas burzy. Silne pole elektryczne powoduje, że krople również zostają naładowane energią elektryczną.
Kwestia okresowości burz została podniesiona w literaturze zachodniej już w latach 80. ubiegłego wieku. Wyjaśnieniu tej kwestii poświęciło się wielu badaczy, jak Zenger, Krassner, Bezold, Ridder itp. Bezold wskazał zatem na 11-dniową cykliczność burz, a następnie na przetworzenie zjawisk burzowych dla południowych Niemiec w latach 1800-1887 . otrzymał termin 25,84 dnia. W 1900 Ridder znalazł dwa okresy częstotliwości burz w Ledebergu dla lat 1891-1894, a mianowicie: 27,5 i 33 dni. Pierwszy z tych okresów jest zbliżony do okresu obrotu Słońca wokół własnej osi i prawie pokrywa się z księżycowym okresem zwrotnikowym (27,3). Jednocześnie podjęto próbę porównania okresowości burz z procesem powstawania plam słonecznych. Hess odkrył dla Szwajcarii jedenastoletni okres liczby burz.
W Rosji D. O. Svyatsky na podstawie swoich badań okresowości burz uzyskał tabele i wykresy, z których wyraźnie widać oba okresy powtarzania tzw. fal burzowych dla rozległej europejskiej Rosji, pierwszy - w latach 24–26, po drugie - za 26 - 28 dni, a więc związek między zjawiskami burzowymi a aktywnością plam słonecznych. Uzyskane okresy okazały się na tyle realistyczne, że możliwe stało się zaplanowanie przejścia takich „fal burzowych” z kilkumiesięcznym wyprzedzeniem. Błąd nie przekracza 1–2 dni, w większości przypadków uzyskuje się pełne dopasowanie.
Z analizy obserwacji aktywności burzowej przeprowadzonych w ostatnich latach przez Faasa wynika, że ​​na całym obszarze europejskiej części ZSRR najczęściej i corocznie występują okresy 26 i 13 (półokresowe) dni. Pierwsza to znowu wartość bardzo bliska obrotowi Słońca wokół własnej osi. Badania nad zależnością zjawisk burzowych w Moskwie od aktywności słońca przeprowadził w ostatnich latach A.P. Moiseev, który po uważnej obserwacji powstawania plam słonecznych i burz w latach 1915–1926 doszedł do wniosku, że liczba i intensywność burz średnio pokrywa się bezpośrednio z obszarem plam słonecznych przechodzących przez centralny południk Słońca. Burze stawały się coraz częstsze i nasilały się wraz ze wzrostem liczby plam słonecznych, a największą intensywność osiągnęły po przejściu dużych grup plam słonecznych przez środek dysku słonecznego. Zatem długoterminowy przebieg krzywej częstotliwości burz i przebieg krzywej liczby plam słonecznych pokrywają się całkiem dobrze. Następnie Moiseev zbadał inny interesujący fakt, a mianowicie dzienny rozkład burz według godzin. Pierwsze dzienne maksimum występuje w godzinach 12 – 13 czasu lokalnego. Następnie od 14-15 następuje niewielki spadek, po 15-16 godzinach następuje główne maksimum, a następnie krzywa maleje. Najprawdopodobniej zjawiska te są związane zarówno z bezpośrednim promieniowaniem słonecznym i jonizacją powietrza, jak i zmianami temperatury. Z badań Moisejewa jasno wynika, że ​​w momentach maksymalnej aktywności Słońca, a także w okolicach minimum, aktywność burzowa jest najbardziej intensywna, a w momentach maksimum jest ona znacznie bardziej wyraźna. Zaprzecza to nieco stanowisku Betzolda i Hessa, jakoby minima częstotliwości burz pokrywały się z maksimami aktywności słonecznej; Faas w swoim opracowaniu burz za rok 1996 wskazuje, że zwracał szczególną uwagę na to, czy aktywność burzowa wzrasta wraz z przejściem dużych plamy słoneczne przechodzące przez centralny południk Słońca. Dla roku 1926 nie uzyskano pozytywnych wyników, natomiast w roku 1923 zaobserwowano bardzo ścisły związek pomiędzy zjawiskami. Można to wytłumaczyć faktem, że w ciągu maksymalnych lat plamy słoneczne grupują się bliżej równika i przechodzą w pobliżu widocznego środka dysku słonecznego. W tej sytuacji ich zakłócający wpływ na Ziemię należy uznać za największy. Wielu badaczy próbowało znaleźć inne okresy burz, ale wahania aktywności burzowej na podstawie materiałów, którymi dysponujemy, są nadal zbyt trudne do rozpoznania i nie pozwalają na ustalenie jakichkolwiek ogólnych wzorców. W każdym razie kwestia ta z biegiem czasu przyciąga uwagę coraz większej liczby badaczy.
Liczba burz i ich intensywność odbijają się w określony sposób na człowieku i jego majątku. Zatem z danych statystycznych przytoczonych przez Budina jasno wynika, że ​​maksimum zgonów w wyniku uderzeń pioruna przypada na lata maksymalnego stresu w aktywności Słońca, a ich minimum - w latach minimalnej liczby plam słonecznych. Jednocześnie rosyjski leśniczy Tyurin zauważa, że ​​według jego badań przeprowadzonych na materiale masowym pożary na terenie lasu briańskiego miały charakter spontaniczny w latach 1872, 1860, 1852, 183b, 1810, 1797, 1776 i 1753. W lasach północnych można również zauważyć okresowość średnio 20-letnią, a daty pożarów lasów na północy w wielu przypadkach pokrywają się z datami wskazanymi, co wskazuje na wpływ tej samej przyczyny – epok suchych, niektórych przypadają na lata największej aktywności słońca. Można zauważyć, że dobrą zależność obserwuje się także w dobowym przebiegu aktywności burzowej i dobowym przebiegu liczby pożarów wywołanych piorunami.
Rozdział 2. Metody pozyskiwania i przetwarzania danych wyjściowych
2.1 Otrzymywanie materiału wyjściowego

W pracy tej wykorzystano dane meteorologiczne dotyczące aktywności burzowej na siedmiu stacjach Republiki Tatarstanu: Tetyushi (1940–1980), Laishevo (1950–1980), Kazan-Opornaya (1940–1967), Kaybitsy (1940–1967), Arsk (1940). -1980), Agryz (1955-1967) i stację meteorologiczną Kazańskiego Uniwersytetu Państwowego (1940-1980). Dane pochodzą z dziesięciodniowego pobierania próbek. Za wskaźnik aktywności burzowej przyjęto liczbę dni z burzami w ciągu dekady. A także miesięczne dane dotyczące aktywności słonecznej - liczby Wolfa za lata 1940-1980.
Na podstawie danych za wskazane lata obliczono główne charakterystyki statystyczne wskaźników aktywności burzowej.
2.2 Podstawowe charakterystyki statystyczne

Meteorologia zajmuje się ogromną liczbą obserwacji, które należy przeanalizować, aby wyjaśnić wzorce istniejące w procesach atmosferycznych. Dlatego w meteorologii szeroko stosowane są metody statystyczne służące do analizy dużych tablic obserwacji. Zastosowanie nowoczesnych, potężnych metod statystycznych pozwala na jaśniejsze przedstawienie faktów i lepsze odkrycie zależności między nimi.
Wartość średnią szeregu czasowego oblicza się ze wzoru
? = ?Gi/N
gdzie 1< i Wariancja pokazuje rozrzut danych w stosunku do wartości średniej i jest obliczana za pomocą wzoru
?І = ?(Gi -?)2 / N, gdzie 1< i Wielkość zwana odchyleniem standardowym jest pierwiastkiem kwadratowym wariancji.
? = ?(Gi - ?)2 / N, gdzie 1< i Najbardziej prawdopodobna wartość zmiennej losowej, czyli mod, jest coraz częściej wykorzystywana w meteorologii.
Do charakteryzowania wielkości meteorologicznych wykorzystuje się także asymetrię i kurtozę.
Jeżeli wartość średnia jest większa niż mod, wówczas mówimy, że rozkład częstotliwości jest dodatnio skośny. Jeśli średnia jest mniejsza niż mod, wówczas jest ona ujemnie asymetryczna. Współczynnik asymetrii oblicza się ze wzoru
A = ?(Gi - ?)3 / N?3, gdzie 1< i Asymetrię uznaje się za małą, jeżeli współczynnik asymetrii |A|?0,25. Asymetria jest umiarkowana, jeśli wynosi 0,25<|А|>0,5. Asymetria jest duża, jeśli wynosi 0,5<|А|>1,5. Wyjątkowo duża asymetria, jeśli |A|>1,5. Jeśli |A|>0, to rozkład ma prawostronną asymetrię, jeśli |A|<0, то левостороннюю асиметрию.
W przypadku rozkładów częstotliwości, które mają te same wartości średnie, asymetrie mogą różnić się wartością kurtozy
E = ?(Gi - ?)? /N?? , gdzie 1< i Kurtozę uważa się za małą, jeśli |E|?0,5; umiarkowane, jeśli 1?|E|?3 i duże, jeśli |E|>3. Jeśli -0,5?E?3, to kurtoza zbliża się do normy.
Współczynnik korelacji to wartość pokazująca związek pomiędzy dwoma skorelowanymi szeregami.
Wzór na współczynnik korelacji wygląda następująco:
R = ?((Xi-X)*(Yi-Y))/ ?x?y
gdzie X i Y to wartości średnie, ax i ay to odchylenia standardowe.
Właściwości współczynnika korelacji:
1. Współczynnik korelacji zmiennych niezależnych wynosi zero.
2. Współczynnik korelacji nie zmienia się po dodaniu jakichkolwiek stałych (nielosowych) składników do x i y, a także nie zmienia się po pomnożeniu wartości x i y przez liczby dodatnie (stałe).
3. Współczynnik korelacji nie zmienia się przy przejściu od x i y do wartości znormalizowanych.
4. Zakres zmian od -1 do 1.
Należy sprawdzić niezawodność połączenia, należy ocenić istotność różnicy między współczynnikiem korelacji a zerem.
Jeśli dla empirycznego R iloczyn ¦R¦vN-1 okaże się większy od pewnej wartości krytycznej, to przy wiarygodności S można stwierdzić, że współczynnik korelacji będzie rzetelny (niezawodnie różny od zera).
Analiza korelacji pozwala ustalić istotność (nielosowość) zmian obserwowanej, mierzonej zmiennej losowej podczas badania oraz pozwala określić formę i kierunek istniejących powiązań między cechami. Jednak ani współczynnik korelacji, ani współczynnik korelacji nie dostarczają informacji o tym, jak bardzo zmienna, efektywna cecha może się zmienić, gdy zmieni się związana z nią cecha silniowa.
Funkcja, która pozwala znaleźć oczekiwane wartości innej cechy na podstawie wartości jednej cechy w obecności korelacji, nazywa się regresją. Analiza statystyczna regresji nazywana jest analizą regresji. Jest to wyższy poziom analizy statystycznej zjawisk masowych. Analiza regresji pozwala przewidzieć Y na podstawie X:
Yx-Y=(Rxy* ?y*(X-X))/ ?x (2.1)
Xy-X=(Rxy* ?x*(Y-Y))/ ?y (2.2)
gdzie X i Y odpowiadają średniej, Xy i Yx to średnie cząstkowe, Rxy to współczynnik korelacji.
Równania (2.1) i (2.2) można zapisać jako:
Yx=a+by*X (2.3)
Xy=a+bx*Y (2.4)
Ważną cechą równań regresji liniowej jest błąd średniokwadratowy. To wygląda tak:
dla równania (2.3) Sy= ?y*v1-RIxy (2.5)
dla równania (2.4) Sx= ?x*v1-RIxy (2.6)
Błędy regresji Sx i Sy pozwalają na wyznaczenie strefy prawdopodobnej (ufności) regresji liniowej, w obrębie której mieści się prawdziwa linia regresji Yx (lub Xy), tj. linia regresji populacji.
Rozdział 3. Analiza obliczeń
3.1 Rozkład głównych cech statystycznych

Rozważmy pewne statystyczne charakterystyki liczby dni z burzami w Predkamye na siedmiu stacjach (tabele 1-7). Ze względu na bardzo małą liczbę dni z burzami w zimie, w pracy uwzględniony zostanie okres od kwietnia do września.
Stacja Tetyushi:
W kwietniu maksymalną wartość średniej dziesięciodniowej obserwuje się w 3. dziesięciodniowym okresie miesiąca? = 0,20. Wartości modalne we wszystkich dekadach wynoszą zero, stąd słaba aktywność burzowa. Maksymalne rozproszenie i odchylenie standardowe obserwuje się także w 3. dekadzie? 2 = 0,31; ? =0,56. Asymetria charakteryzuje się wyjątkowo dużą wartością w drugiej dekadzie A = 4,35. Również w II dekadzie występuje duża wartość kurtozy E = 17,79.
W maju, ze względu na zwiększony napływ ciepła, wzrasta aktywność burzowa. Maksymalna wartość średniej dziesięciodniowej zaobserwowana została w 3. dekadzie i wyniosła? =1,61. Wartości modalne we wszystkich dekadach wynoszą zero. Czy maksymalne wartości dyspersji i odchylenia standardowego obserwuje się w 3. dekadzie? 2 = 2,59; ?=1,61. Wartości asymetrii i kurtozy maleją od pierwszej dekady do trzeciej (w pierwszej dekadzie A = 1,23; E = 0,62; w trzeciej dekadzie A = 0,53; E = -0,95).
W czerwcu maksimum średniej wartości dziesięciodniowej występuje w trzecim dziesięciodniowym okresie? = 2,07. Następuje wzrost wartości rozproszenia i odchylenia standardowego w porównaniu do kwietnia i maja: maksimum w drugiej dekadzie (? 2 = 23,37; ? = 1,84), minimum w pierwszej (? 2 = 1,77; ? = 1,33) . Wartości modalne w pierwszych dwóch dekadach są równe zeru, w trzeciej dekadzie było to M=2. Asymetria we wszystkich dekadach jest duża i dodatnia, w trzeciej dekadzie. Kurtoza w pierwszych dwóch dekadach charakteryzuje się małymi wartościami, w trzeciej dekadzie jej wartość wzrosła E = 0,67.
Najwyższa średnia dziesięciodniowa w lipcu? =2,05 w drugiej dekadzie. Wartości modalne w pierwszych dwóch dekadach wynoszą odpowiednio 1 i 2, w trzeciej - zero. Maksymalne wartości dyspersji i odchylenia standardowego obserwuje się w drugiej dekadzie i wynoszą? odpowiednio 2=3,15 i?=1,77, minimum w ciągu pierwszych dziesięciu dni? Odpowiednio 2=1,93 i Δ=1,39. Asymetrię charakteryzują duże, dodatnie wartości: maksimum w pierwszej dekadzie A = 0,95, minimum w drugiej dekadzie A = 0,66. Kurtoza w drugiej i trzeciej dekadzie jest niewielka, w drugiej dekadzie przyjmuje wartość ujemną, w pierwszej dekadzie maksimum wynosi E = 1,28, minimum w drugiej dekadzie E = -0,21.
W sierpniu aktywność burzowa maleje. Najwyższą średnią dziesięciodniową obserwuje się w pierwszych dziesięciu dniach? =1,78, najmniejsza jest w trzeciej? =0,78. Wartości modalne w pierwszej i trzeciej dekadzie są równe zero, w drugiej - jeden. Następuje spadek wartości rozproszenia i odchylenia standardowego: maksimum w pierwszej dekadzie (Δ 2 = 3,33; Δ = 1,82), minimum w trzeciej (Δ 2 = 1,23; Δ = 1,11). Od pierwszej do trzeciej dekady następuje nieznaczny wzrost wartości asymetrii i kurtozy: maksima w trzeciej dekadzie A = 1,62, E = 2,14, minima w drugiej dekadzie A = 0,40, E = -0,82.
We wrześniu maksymalna średnia wartość dziesięciodniowa wynosiła? =0,63 w pierwszych dziesięciu dniach miesiąca. Wartości modalne wynoszą zero. Od pierwszej dekady do trzeciej następuje spadek wartości dyspersji i odchylenia standardowego (Δ2=0,84;Δ=0,92 – w pierwszej dekadzie iΔ2=0,11;Δ=0,33 – w trzeciej).
Podsumowując powyższe, stwierdzamy, że wraz ze wzrostem aktywności burzowej wzrastają wartości takich cech statystycznych, jak tryb, rozproszenie i odchylenie standardowe: maksymalne wartości obserwuje się na przełomie czerwca i lipca (ryc. 1).
Ryc.1
Natomiast asymetria i kurtoza przyjmują największe wartości podczas minimalnej aktywności burzowej (kwiecień, wrzesień); w okresie maksymalnej aktywności burzowej asymetria i kurtoza charakteryzują się dużymi wartościami, ale mniejszymi w porównaniu z kwietniem i wrześniem ( Ryc. 2).
Ryc.2
Maksimum aktywności burzowej zaobserwowano na przełomie czerwca i lipca (ryc. 3).
Ryc.3
Przeanalizujmy pozostałe stacje na podstawie wykresów zbudowanych z obliczonych wartości statystycznych na tych stacjach.
Stacja Laishevo:
Rysunek przedstawia średnią dziesięciodniową liczbę dni z burzami. Z wykresu wynika, że ​​występują dwie maksymalne aktywności burzowe, występujące na przełomie czerwca i lipca, wynoszące odpowiednio ?=2,71 i ?=2,52. Można również zauważyć gwałtowny wzrost i spadek, co wskazuje na dużą zmienność warunków pogodowych na tym obszarze (ryc. 4).
Ryc.4
Tryb, rozproszenie i odchylenie standardowe są największe w okresie od końca czerwca do końca lipca, co odpowiada okresowi największej aktywności burzowej. Maksymalne rozproszenie zaobserwowano w trzeciej dekadzie lipca i wyniosło? 2= ​​4,39 (ryc. 5).
Ryc.5
Asymetria i kurtoza osiągają największe wartości w drugiej dekadzie kwietnia (A = 5,57; E = 31), tj. podczas minimalnej aktywności burzowej. Natomiast w okresie maksymalnej aktywności burzowej charakteryzują się one niskimi wartościami (A = 0,13; E = -1,42) (ryc. 6).
Ryc.6
Stacja wsparcia Kzan:
Na tej stacji następuje płynny wzrost i spadek aktywności burzowej. Maksimum trwa od końca czerwca do połowy sierpnia, a jego wartość bezwzględna wynosi Δ = 2,61 (ryc. 7).
Ryc.7
Wartości modalne są dość wyraźne w porównaniu do poprzednich stacji. Dwa główne maksima M=3 obserwuje się w trzeciej dekadzie czerwca i drugiej dekadzie lipca. Jednocześnie rozproszenie i odchylenie standardowe osiągają swoje maksimum (Δ 2 = 3,51; Δ = 1,87) (ryc. 8).
Ryc.8
Maksimum asymetrii i kurtozy obserwuje się w drugiej dekadzie kwietnia (A=3,33; E=12,58) i trzeciej dekadzie września (A=4,08; E=17,87). Minimum zaobserwowano w trzeciej dekadzie lipca (A=0,005; E=-1,47) (ryc. 9).
Ryc.9
Stacja Kaybitsy:
Maksymalna średnia wartość w drugiej dekadzie czerwca? = 2,79. Obserwuje się gwałtowny wzrost i płynny spadek aktywności burzowej (ryc. 10).
Ryż. 10
Wartość modalna osiąga maksymalną wartość w drugiej dekadzie czerwca M=4. Jednocześnie rozrzut i odchylenie standardowe są również maksymalne (Δ 2 = 4,99; Δ = 2,23) (ryc. 11).
Ryc.11
Asymetria i kurtoza charakteryzują się wyjątkowo dużymi wartościami w drugiej dekadzie kwietnia (A=4,87; E=24,42) i trzeciej dekadzie września (A=5,29; E=28,00). Minimum zaobserwowano w pierwszych dziesięciu dniach czerwca (A = 0,52; E = -1,16) (ryc. 12).
Ryc.12
Stacja Arsk:
Na tej stacji obserwuje się dwie maksymalne aktywności burzowe, występujące w drugiej dekadzie czerwca i trzeciej dekadzie lipca? = 2,02 (ryc. 13).
Ryc.13
Maksymalne rozproszenie i odchylenie standardowe występuje w drugiej dekadzie czerwca, co pokrywa się z maksimum średniej wartości aktywności burzowej (Δ 2 = 3,97; Δ = 1,99). Drugiemu maksimum aktywności burzowej (trzecia dekada lipca) towarzyszą także duże wartości rozproszenia i odchylenia standardowego (γ2 = 3,47; δ = 1,86) (ryc. 14).
Ryc.14
Wyjątkowo duże wartości asymetrii i kurtozy występują w pierwszych dziesięciu dniach kwietnia (A=6,40; E=41,00). We wrześniu wartości te również charakteryzują się dużymi wartościami (A = 3,79; E = 13,59 w trzeciej dekadzie września). Minimum przypada na drugą dekadę lipca (A = 0,46; E = -0,99) (ryc. 15).
Ryc.15
Stacja Agryz:
Ze względu na małą liczebność próbki na tej stacji, aktywność piorunów możemy ocenić jedynie warunkowo.
Obserwuje się nagłą zmianę aktywności burzowej. Maksimum osiągane jest w trzeciej dekadzie lipca? = 2,92 (ryc. 16).
Ryc.16
Znaczenie modalne jest dobrze wyrażone. Trzy maksima M=2 obserwuje się w trzeciej dekadzie maja, trzeciej dekadzie czerwca i drugiej dekadzie lipca. Rozproszenie i odchylenie standardowe mają po dwa główne maksima, występujące w drugiej dekadzie czerwca i trzeciej dekadzie lipca i równe? 2 = 5,08; ? =2,25 i? 2 = 4,91; odpowiednio Δ=2,22 (ryc. 17).
Ryc.17
We wszystkich dziesięciu dniach kwietnia występują wyjątkowo duże wartości asymetrii i kurtozy (A=3,61; E=13,00). Dwa główne minima: w drugiej dekadzie maja (A=0,42; E=-1,46) i pierwszej dekadzie lipca (A=0,50; E=-1,16) (ryc. 18).
Ryc.18
Stacja KGU:
Maksimum wartości średniej występuje w drugiej dekadzie czerwca i wynosi ?=1,90. Można również zauważyć płynny wzrost i spadek aktywności burzowej (ryc. 19).
Ryc.19
Mod osiąga swoje maksymalne wartości w drugiej dekadzie czerwca (M=2) i pierwszej dekadzie lipca (M=2). Rozproszenie i odchylenie standardowe osiągają największe wartości w trzeciej dekadzie lipca (? 2 = 2,75; ? = 1,66) (ryc. 20).
Ryc.20
W kwietniu i wrześniu asymetria i kurtoza charakteryzują się wyjątkowo dużymi wartościami: w pierwszych dziesięciu dniach kwietnia – A = 6,40; E=41,00, w trzeciej dekadzie września – A=4,35; E=17,79. Minimum asymetrii i kurtozy przypada na drugą dekadę lipca (A = 0,61; E = -0,48) (ryc. 21).
Ryc.21
3.2 Analiza trendów

Nielosowy, wolno zmieniający się składnik szeregu czasowego nazywany jest trendem.
W wyniku przetwarzania danych na siedmiu stacjach uzyskano równania trendu dla danych miesięcznych (tab. 8-14). Obliczenia przeprowadzono dla trzech miesięcy: maja, lipca i września.
Na stacji Tetyushi od dłuższego czasu obserwuje się wzrost aktywności burzowej w miesiącach wiosennych i jesiennych oraz spadek w lipcu.
Na stacji W Laishevo w maju w długim okresie następuje wzrost aktywności burzowej (b = 0,0093), a w lipcu i wrześniu maleje.
Na stacjach Kazan-Opornaya, Kaybitsy i Arsk współczynnik b jest dodatni we wszystkich trzech miesiącach, co odpowiada wzrostowi burz.
Na stacji Agryz, ze względu na małą liczebność próby, trudno mówić o charakterze zmian w natężeniu aktywności burzowej, można jednak zauważyć, że w maju i lipcu następuje spadek, a we wrześniu wzrost burzy działalność.
Na stacji Kazańskiego Uniwersytetu Państwowego w maju i lipcu współczynnik b jest dodatni, a we wrześniu ma znak minus.
Współczynnik b osiąga maksimum w lipcu na stacji. Kaybitsy (b=0,0577), minimalne – w lipcu na stacji. Laishevo.
3.3 Analiza zależności regresyjnej liczby dni z burzami od liczb Wolfa

Obliczenia przeprowadzono dla centralnego miesiąca lata – lipca (tab. 15), zatem próbą było N = 40 lipca od 1940 r. do 1980 r.
Po dokonaniu odpowiednich obliczeń otrzymaliśmy następujące wyniki:
Prawdopodobieństwo ufności współczynnika a na wszystkich stacjach jest praktycznie zerowe. Prawdopodobieństwo zaufania dla współczynnika b na większości stacji również nieznacznie różni się od zera i mieści się w przedziale 0,23–1,00.
Współczynnik korelacji na wszystkich stacjach z wyjątkiem stacji. Agryz jest ujemny i nie przekracza wartości r=0,5, współczynnik determinacji na tych stanowiskach nie przekracza wartości r2=20,00.
Na stacji Współczynnik korelacji Agryz jest dodatni i największy r = 0,51, prawdopodobieństwo zaufania r 2 = 25,90.
Wniosek

W rezultacie około itp............

Jak powstaje chmura burzowa?

Co wiesz o chmurze burzowej?

Średnio uważa się, że chmura burzowa ma średnicę 20 km, a jej czas życia wynosi 30 minut. Według różnych szacunków w każdej chwili na świecie pojawia się od 1800 do 2000 chmur burzowych. Odpowiada to 100 000 burz na planecie każdego roku. Około 10% z nich staje się niezwykle niebezpieczne.

Generalnie atmosfera powinna być niestabilna – masy powietrza przy powierzchni ziemi powinny być lżejsze od powietrza znajdującego się w wyższych warstwach. Jest to możliwe, gdy podłoże i masa powietrza z niego nagrzeją się, a także w obecności dużej wilgotności powietrza, która jest najczęstsza. Być może z powodów dynamicznych, napływu zimniejszych mas powietrza do leżących nad nimi warstw. W rezultacie w atmosferze objętości cieplejszego i bardziej wilgotnego powietrza, zyskując wyporność, pędzą w górę, a chłodniejsze cząstki z górnych warstw opadają. W ten sposób ciepło, które powierzchnia ziemi otrzymuje od słońca, jest transportowane do leżących nad nią warstw atmosfery. Taka konwekcja nazywana jest swobodną. W strefach frontów atmosferycznych, w górach, nasila się ono pod wpływem wymuszonego mechanizmu wznoszenia się mas powietrza.

Para wodna zawarta we wznoszącym się powietrzu ochładza się i skrapla, tworząc chmury i uwalniając ciepło. Chmury rosną w górę, osiągając wysokości, na których obserwuje się ujemne temperatury. Niektóre cząsteczki chmur zamarzają, inne pozostają płynne. Obydwa mają ładunek elektryczny. Cząsteczki lodu zwykle mają ładunek dodatni, podczas gdy cząstki cieczy mają zwykle ładunek ujemny. Cząsteczki nadal rosną i zaczynają osadzać się w polu grawitacyjnym – tworzą się opady. Ładunki kosmiczne kumulują się. Na górze chmury powstaje ładunek dodatni, a na dole ładunek ujemny (w rzeczywistości odnotowuje się bardziej złożoną strukturę, mogą występować 4 ładunki kosmiczne, czasami może być odwrotny itp.). Kiedy natężenie pola elektrycznego osiągnie wartość krytyczną, następuje wyładowanie - widzimy błyskawicę, a po pewnym czasie słyszymy wydobywającą się z niej falę dźwiękową lub grzmot.

Zazwyczaj chmura burzowa przechodzi w swoim cyklu życia trzy etapy: tworzenie się, maksymalny rozwój i rozpraszanie.

W pierwszym etapie chmury cumulusowe rosną w górę w wyniku ruchów powietrza ku górze. Chmury Cumulus wyglądają jak piękne białe wieże. Na tym etapie nie ma opadów, ale nie wyklucza się wyładowań atmosferycznych. Może to zająć około 10 minut.

Na etapie maksymalnego rozwoju ruchy chmur w górę nadal trwają, ale jednocześnie z chmury zaczynają już spadać opady i pojawiają się silne ruchy w dół. A kiedy ten schłodzony w dół strumień opadów dotrze do ziemi, tworzy się front podmuchów, czyli linia szkwału. Etap maksymalnego rozwoju chmur to czas największego prawdopodobieństwa wystąpienia ulewnych opadów deszczu, gradu, częstych wyładowań atmosferycznych, szkwałów i tornad. Chmura jest zazwyczaj ciemna. Ten etap trwa od 10 do 20 minut, ale może być dłuższy.

W końcu opady i prądy zstępujące zaczynają powodować erozję chmury. Na powierzchni ziemi linia szkwałów oddala się od chmury, odcinając ją od źródła ciepłego i wilgotnego powietrza. Intensywność opadów maleje, ale pioruny nadal stanowią zagrożenie.

Ze względu na jego całkowitą nieprzewidywalność i ogromną moc Błyskawica(wyładowania atmosferyczne) stanowią potencjalne zagrożenie dla wielu obiektów energetycznych. Współczesna nauka zgromadziła dużą ilość informacji teoretycznych i danych praktycznych na temat ochrona przed piorunami i burzowych, co pozwala na rozwiązanie poważnych problemów związanych z ochroną odgromową infrastruktury energetycznej przemysłowej i cywilnej. W tym artykule omówiono aspekt fizyczny charakter zjawisk burzowych i zachowania piorunów, których znajomość będzie przydatna do zaprojektowania skutecznej ochrony odgromowej i stworzenia zintegrowanego systemu uziemienia stacji elektroenergetycznych.

Natura błyskawic i chmur burzowych

W ciepłej porze roku na średnich szerokościach geograficznych, podczas ruchu cyklonu, przy wystarczającej wilgotności i silnych prądach powietrza w górę, często występują wyładowania burzowe (błyskawice). Przyczyną tego naturalnego zjawiska jest ogromna koncentracja elektryczności atmosferycznej (naładowanych cząstek) w chmurach burzowych, w których w obecności prądów wstępujących następuje oddzielenie ładunków ujemnych i dodatnich wraz z akumulacją naładowanych cząstek w różnych częściach chmury. Obecnie istnieje kilka teorii dotyczących elektryczności atmosferycznej i elektryfikacji chmur burzowych, jako najważniejszych czynników mających bezpośredni wpływ na projektowanie i tworzenie kompleksowych zabezpieczeń odgromowych i uziemień obiektów elektroenergetycznych.

Według współczesnych koncepcji powstawanie naładowanych cząstek w chmurach wiąże się z obecnością w pobliżu Ziemi pola elektrycznego o ładunku ujemnym. W pobliżu powierzchni planety natężenie pola elektrycznego wynosi 100 V/m. Wartość ta jest niemal wszędzie taka sama i nie zależy od czasu i miejsca pomiarów. Pole elektryczne Ziemi spowodowane jest obecnością w powietrzu atmosferycznym swobodnie naładowanych cząstek, które są w ciągłym ruchu.

Przykładowo w 1 cm3 powietrza znajduje się ponad 600 cząstek naładowanych dodatnio i tyle samo cząstek naładowanych ujemnie. W miarę oddalania się od powierzchni ziemi gęstość naładowanych cząstek w powietrzu gwałtownie wzrasta. Blisko ziemi przewodność elektryczna powietrza jest znikoma, ale już na wysokościach ponad 80 km przewodność elektryczna wzrasta 3 000 000 000 (!) razy i staje się równa przewodności słodkiej wody. Jeśli wyciągniemy analogie, to w pierwszym przybliżeniu naszą planetę można porównać do ogromnego kondensatora w kształcie kuli.

W tym przypadku za pokrywy przyjmuje się powierzchnię Ziemi i warstwę powietrza skupioną na wysokości osiemdziesięciu kilometrów nad powierzchnią Ziemi. Część atmosfery o grubości 80 km i niskiej przewodności elektrycznej pełni rolę izolatora. Pomiędzy płytkami wirtualnego kondensatora powstaje napięcie do 200 kV, a prąd może dochodzić do 1400 A. Taki kondensator ma niesamowitą moc - około 300 000 kW (!). W polu elektrycznym planety, na wysokości od 1 do 8 kilometrów od powierzchni Ziemi, naładowane cząstki kondensują się i zachodzą zjawiska burzowe, które pogarszają środowisko elektromagnetyczne i są źródłem szumu impulsowego w systemach energetycznych.

Zjawiska burzowe dzielimy na burze frontowe i termiczne. Na ryc. Rycina 1 przedstawia schemat pojawiania się burzy termicznej. W wyniku intensywnego naświetlania promieniami słonecznymi powierzchnia Ziemi nagrzewa się. Część energii cieplnej przechodzi do atmosfery i ogrzewa jej dolne warstwy. Ciepłe masy powietrza rozszerzają się i unoszą wyżej. Już na wysokości dwóch kilometrów docierają do obszaru o niskich temperaturach, gdzie kondensuje się wilgoć i pojawiają się chmury burzowe. Chmury te składają się z mikroskopijnych kropel wody przenoszących ładunek. Z reguły chmury burzowe tworzą się w gorące letnie dni po południu i są stosunkowo niewielkie.

Burze frontalne powstają, gdy dwa strumienie powietrza o różnych temperaturach zderzają się czołowo. Strumień powietrza o niskiej temperaturze opada w dół, bliżej ziemi, a ciepłe masy powietrza unoszą się w górę (ryc. 2). Chmury burzowe tworzą się na wysokościach o niskich temperaturach, gdzie kondensuje się wilgotne powietrze. Burze czołowe mogą trwać dość długo i zajmować znaczny obszar.

Jednocześnie środowisko elektromagnetyczne tła ulega zauważalnym zniekształceniom, powodując szum impulsowy w sieciach elektrycznych. Fronty takie poruszają się z prędkością od 5 do 150 km/h i wyższą. W przeciwieństwie do burz termicznych, burze czołowe są aktywne niemal przez całą dobę i stanowią poważne zagrożenie dla obiektów przemysłowych, które nie są wyposażone w instalację odgromową i skuteczne uziemienie. Kiedy zimne powietrze skrapla się w polu elektrycznym, tworzą się spolaryzowane krople wody (ryc. 3): w dolnej części kropli znajduje się ładunek dodatni, a w górnej - ładunek ujemny.

Pod wpływem wznoszących się prądów powietrza kropelki wody oddzielają się: mniejsze unoszą się w górę, a większe spadają niżej. Gdy kropla porusza się w górę, ujemnie naładowana część kropli przyciąga ładunki dodatnie i odpycha ładunki ujemne. W rezultacie kropla staje się naładowana dodatnio, ponieważ stopniowo gromadzi ładunek dodatni. Spadające krople przyciągają ładunki ujemne, a w miarę spadania stają się naładowane ujemnie.

Podział naładowanych cząstek w chmurze burzowej przebiega w podobny sposób: cząstki naładowane dodatnio gromadzą się w warstwie górnej, a cząstki naładowane ujemnie w warstwie dolnej. Chmura burzowa praktycznie nie jest przewodnikiem, dlatego ładunki utrzymują się przez pewien czas. Jeśli silniejsze pole elektryczne chmury oddziałuje na pole elektryczne „bezchmurnej pogody”, zmieni ono swój kierunek w miejscu, w którym się znajduje (rys. 4).

Rozkład naładowanych cząstek w masie chmur jest wyjątkowo nierównomierny:
w niektórych punktach gęstość ma wartość maksymalną, a w innych małą. W miejscu gromadzenia się dużej ilości ładunków i powstawania silnego pola elektrycznego o natężeniu krytycznym rzędu 25-30 kV/cm powstają odpowiednie warunki do powstania wyładowań atmosferycznych. Wyładowanie piorunowe przypomina iskrę obserwowaną w szczelinie między elektrodami, które są dobrymi przewodnikami prądu elektrycznego.

Jonizacja powietrza atmosferycznego

Powietrze atmosferyczne składa się z mieszaniny gazów: azotu, tlenu, gazów obojętnych i pary wodnej. Atomy tych gazów łączą się w silne i stabilne wiązania, tworząc cząsteczki. Każdy atom jest jądrem protonowym o ładunku dodatnim. Elektrony o ładunku ujemnym („chmura elektronów”) krążą wokół jądra.

Pod względem ilościowym ładunek jądra i całkowity ładunek elektronów są sobie równe. Podczas jonizacji elektrony opuszczają atom (cząsteczkę). Podczas procesu jonizacji atmosferycznej powstają 2 naładowane cząstki: jon dodatni (jądro z elektronami) i jon ujemny (wolny elektron). Podobnie jak wiele zjawisk fizycznych, jonizacja wymaga pewnej ilości energii, zwanej energią jonizacji powietrza.

Kiedy w warstwie powietrza utworzonej przez 2 przewodzące elektrody powstanie wystarczające napięcie, wszystkie swobodnie naładowane cząstki pod wpływem natężenia pola elektrycznego zaczną poruszać się w sposób uporządkowany. Masa elektronu jest wielokrotnie (10 000 ... 100 000 razy) mniejsza niż masa jądra. W rezultacie, gdy swobodny elektron porusza się w polu elektrycznym warstwy powietrza, prędkość tej naładowanej cząstki jest znacznie większa niż prędkość jądra. Posiadając znaczny pęd, elektron z łatwością usuwa nowe elektrony z cząsteczek, zwiększając w ten sposób jonizację. Zjawisko to nazywa się jonizacją uderzeniową (ryc. 5).

Jednak nie każde zderzenie skutkuje usunięciem elektronu z cząsteczki. W niektórych przypadkach elektrony przemieszczają się na niestabilne orbity daleko od jądra. Elektrony takie otrzymują część energii od zderzającego się elektronu, co prowadzi do wzbudzenia cząsteczki (rys. 6.).

Okres „życia” wzbudzonej cząsteczki wynosi zaledwie 10-10 sekund, po czym elektron powraca na swoją poprzednią, bardziej stabilną energetycznie orbitę.

Kiedy elektron powraca na stabilną orbitę, wzbudzona cząsteczka emituje foton. Foton z kolei w pewnych warunkach może jonizować inne cząsteczki. Proces ten nazwano fotojonizacją (ryc. 7). Istnieją również inne źródła fotojonizacji: wysokoenergetyczne promienie kosmiczne, fale światła ultrafioletowego, promieniowanie radioaktywne itp. (ryc. 8).

Z reguły jonizacja cząsteczek powietrza zachodzi w wysokich temperaturach. Wraz ze wzrostem temperatury cząsteczki powietrza i wolne elektrony uczestniczące w ruchu termicznym (chaotycznym) uzyskują większą energię i częściej zderzają się ze sobą. Efektem takich zderzeń jest jonizacja powietrza, zwana jonizacją termiczną. Jednakże procesy odwrotne mogą również wystąpić, gdy naładowane cząstki neutralizują swoje własne ładunki (rekombinacja). Podczas procesu rekombinacji obserwuje się intensywną emisję fotonów.

Tworzenie się streamerów i wyładowań koronowych

Kiedy natężenie pola elektrycznego w szczelinie powietrznej pomiędzy naładowanymi płytkami wzrośnie do wartości krytycznych, może rozwinąć się jonizacja uderzeniowa, która jest częstą przyczyną impulsowych zakłóceń o wysokiej częstotliwości. Jego istota jest następująca: po zjonizowaniu jednej cząsteczki przez elektron pojawiają się dwa wolne elektrony i jeden jon dodatni. Kolejne zderzenia prowadzą do pojawienia się 4 wolnych elektronów i 3 jonów o ładunku dodatnim.

Jonizacja przybiera zatem charakter lawinowy, któremu towarzyszy powstawanie ogromnej liczby wolnych elektronów i jonów dodatnich (ryc. 9 i 10). Jony dodatnie gromadzą się w pobliżu elektrody ujemnej, a ujemnie naładowane elektrony przemieszczają się w kierunku elektrody dodatniej.

Podczas procesu jonizacji wolne elektrony uzyskują większą ruchliwość w porównaniu do jonów, dlatego te ostatnie można warunkowo uznać za cząstki nieruchome. Kiedy elektrony przemieszczają się do elektrody dodatniej, pozostałe ładunki dodatnie mają silny wpływ na stan pola elektrycznego, prowadząc tym samym do wzrostu jego natężenia. Duża liczba fotonów przyspiesza jonizację powietrza w pobliżu anody i przyczynia się do powstawania elektronów wtórnych (ryc. 11), które są źródłem powtarzających się lawin (ryc. 12).

Powstałe lawiny wtórne przemieszczają się w kierunku anody, gdzie koncentruje się ładunek dodatni. Swobodne elektrony przebijają się przez dodatni ładunek kosmiczny, co prowadzi do powstania dość wąskiego kanału (streamera), w którym znajduje się plazma. Dzięki doskonałej przewodności streamer „wydłuża” anodę, przy czym proces tworzenia lawin wolnych elektronów przyspiesza i następuje dalszy wzrost natężenia pola elektrycznego (rys. 13 i 14), przemieszczając się w kierunku głowicy streamera . Dodatkowe elektrony mieszają się z jonami dodatnimi, co ponownie prowadzi do powstania plazmy, która wydłuża kanał strumienia.

Ryż. 13. Wzrostowi natężenia pola elektrycznego towarzyszy wzmożona fotojonizacja i powstają nowe lawiny naładowanych cząstek

Po wypełnieniu wolnej szczeliny przez streamer rozpoczyna się etap iskrowy wyładowania (ryc. 15), charakteryzujący się supersilną jonizacją termiczną przestrzeni i ultraprzewodnictwem kanału plazmowego.

Opisany proces tworzenia strumienia obowiązuje dla małych szczelin charakteryzujących się jednorodnym polem elektrycznym. Jednak ze względu na swoją formę wszystkie pola elektryczne dzielą się na jednorodne, nieco niejednorodne i silnie niejednorodne:

• W jednorodnym polu elektrycznym natężenie wzdłuż linii pola charakteryzuje się stałą wartością. Jak na przykład pole elektryczne w środkowej części kondensatora płytkowego równoległego.
• W słabo niejednorodnym polu wartości wytrzymałości mierzone wzdłuż linii pola różnią się nie więcej niż 2 ... 3 razy, takie pole uważa się za słabo niejednorodne. Na przykład pole elektryczne pomiędzy 2 sferycznymi iskiernikami lub pole elektryczne powstające pomiędzy powłoką ekranowanego kabla a jego rdzeniem.
• Pole elektryczne nazywa się wysoce niejednorodnym, jeśli charakteryzuje się znacznymi skokami natężenia, co prowadzi do poważnego pogorszenia środowiska elektromagnetycznego. W przemysłowych instalacjach elektrycznych z reguły pola elektryczne mają bardzo niejednorodny kształt, co wymaga sprawdzenia urządzeń pod kątem kompatybilności elektromagnetycznej.

W wysoce niejednorodnym polu procesy jonizacji gromadzą się w pobliżu elektrody dodatniej lub ujemnej. Dlatego wyładowanie nie może osiągnąć etapu iskry i w tym przypadku ładunek tworzy się w postaci korony („wyładowanie koronowe”). Wraz z dalszym wzrostem natężenia pola elektrycznego w szczelinie powietrznej tworzą się smugi i następuje wyładowanie iskrowe. Tak więc, jeśli długość szczeliny wynosi jeden metr, wówczas wyładowanie iskrowe następuje przy natężeniu pola około 10 kV/cm.

Forma lidera wyładowań atmosferycznych

Przy kilkumetrowej szczelinie powietrznej pojawiające się strumienie nie mają wystarczającej przewodności, aby wywołać pełnoprawne wyładowanie. Gdy streamer się porusza, powstaje wyładowanie atmosferyczne, które przybiera formę lidera. Część kanału, zwana liderem, wypełniona jest cząsteczkami zjonizowanymi termicznie. W kanale liderowym koncentruje się znaczna ilość naładowanych cząstek, których gęstość jest znacznie wyższa niż średnia dla streamera. Ta właściwość zapewnia dobre warunki do ukształtowania się streamera i przekształcenia go w lidera.

Ryż. 16. Proces ruchu streamera i pojawienie się negatywnego lidera (AB – lawina początkowa; CD – streamer uformowany).

Na ryc. Rysunek 16 przedstawia klasyczny schemat pojawienia się negatywnego lidera. Strumień wolnych elektronów przemieszcza się od katody do anody. Zacienione stożki pokazują powstałe lawiny elektronów, a trajektorie emitowanych fotonów pokazano w postaci falistych linii. Podczas każdej lawiny, gdy zderzają się elektrony, powietrze ulega jonizacji, a powstałe fotony następnie jonizują inne cząsteczki powietrza. Jonizacja przybiera charakter masowy, a liczne lawiny łączą się w jeden kanał. Prędkość fotonów wynosi 3*108 m/s, a prędkość swobodnie poruszających się elektronów w przedniej części lawiny wynosi 1,5*105 m/s.

Rozwój streamera następuje szybciej niż postęp lawiny elektronów. Na ryc. Rysunek 16 pokazuje, że w czasie, gdy pierwsza lawina pokonuje drogę AB, na odcinku CD tworzy się kanał strumieniowy o ultraprzewodnictwie na całej swojej długości. Standardowy streamer porusza się ze średnią prędkością 106-107 m/s. Jeżeli wolne elektrony mają odpowiednio wysokie stężenie, w kanale streamera następuje intensywna jonizacja termiczna, co prowadzi do pojawienia się lidera – struktury liniowej ze składnikiem plazmowym.

W miarę ruchu lidera na jego końcowej części tworzą się nowe streamery, które później stają się także liderem. Na ryc. Ryc. 17 przedstawia rozwój ujemnego lidera w szczelinie powietrznej przy nierównomiernym polu elektrycznym: lider porusza się wzdłuż kanału streamera (ryc. 17a); po zakończeniu transformacji kanału streamera w lidera powstają nowe lawiny.

Ryż. 17. Schemat kształtowania się i rozwoju negatywnego lidera w dłuższym okresie.

Lawiny elektronów przemieszczają się przez szczelinę powietrzną (ryc. 17b) i tworzy się nowy strumień (ryc. 17c). Z reguły streamery poruszają się po losowych trajektoriach. Dzięki takiemu powstaniu wyładowań atmosferycznych w długich szczelinach powietrznych, nawet przy niskim natężeniu pola elektrycznego (od 1000 do 2000 V/cm), lider szybko pokonuje znaczne odległości.

Kiedy lider dotrze do elektrody przeciwnej, kończy się etap lidera wyładowania piorunowego i rozpoczyna się etap wyładowania zwrotnego (głównego). W tym przypadku fala elektromagnetyczna rozchodzi się z powierzchni ziemi wzdłuż kanału lidera, dzięki czemu potencjał lidera zostaje zredukowany do zera. W ten sposób między elektrodami powstaje kanał nadprzewodzący, przez który przechodzi wyładowanie atmosferyczne.

Etapy rozwoju wyładowania atmosferycznego

Warunki wystąpienia pioruna powstają w tej części chmury burzowej, w której nagromadzenie naładowanych cząstek i natężenie pola elektrycznego osiągnęły wartości progowe. W tym momencie rozwija się jonizacja uderzeniowa i tworzą się lawiny elektronów, następnie pod wpływem jonizacji foto- i termicznej pojawiają się streamery, zamieniające się w liderów.

a – wyświetlacz wizualny; b – charakterystyka prądu.

Długość wyładowania atmosferycznego waha się od setek metrów i może sięgać kilku kilometrów (średnia długość wyładowania piorunowego wynosi 5 km). Dzięki rozwojowi typu lider błyskawica jest w stanie w ciągu ułamka sekundy pokonywać znaczne odległości. Ludzkie oko widzi błyskawicę jako ciągłą linię składającą się z jednego lub więcej jasnych pasków w kolorze białym, jasnoróżowym lub jasnoniebieskim. W rzeczywistości wyładowanie piorunowe składa się z kilku impulsów, w tym dwóch etapów: lidera i etapu odwrotnego wyładowania.

Na ryc. Rysunek 18 przedstawia przebieg impulsów piorunowych w czasie, który pokazuje wyładowanie stopnia lidera pierwszego impulsu rozwijającego się w postaci schodków. Linia sceny wynosi średnio pięćdziesiąt metrów, a opóźnienie między sąsiednimi etapami sięga 30-90 μs. Średnia prędkość propagacji lidera wynosi 105...106 m/s.

Stopniową formę rozwoju lidera tłumaczy się tym, że utworzenie wiodącego streamera zajmuje trochę czasu (przerwa między krokami). Kolejne impulsy przemieszczają się wzdłuż zjonizowanego kanału i mają stopień lidera w kształcie wyraźnej strzałki. Po dotarciu lidera do pierwszego impulsu powierzchni ziemi pojawia się zjonizowany kanał, przez który przemieszcza się ładunek. W tym momencie rozpoczyna się drugi etap wyładowania piorunowego (wyładowanie wsteczne).

Wyładowanie główne jest widoczne w postaci ciągłej, jasno świecącej linii przebijającej przestrzeń pomiędzy chmurami burzowymi a ziemią (błyskawica liniowa). Gdy główny wyładowanie dotrze do chmury, blask kanału plazmowego maleje. Ta faza nazywa się poświatą. Podczas jednego wyładowania piorunowego obserwuje się do dwudziestu powtarzających się impulsów, a czas trwania samego wyładowania sięga 1 sekundy lub dłużej.

W czterech na dziesięć przypadków obserwuje się wielokrotne wyładowania atmosferyczne, które powodują zakłócenia impulsowe w sieciach energetycznych. Średnio obserwuje się 3...4 impulsy. Charakter powtarzających się impulsów jest związany ze stopniowym napływem pozostałych ładunków w chmurze burzowej do kanału plazmowego.

Selektywne działanie wyładowań atmosferycznych

Kiedy kanał lidera dopiero zaczyna się rozwijać, natężenie pola elektrycznego w jego części czołowej zależy od objętości ładunku lidera i nagromadzenia naładowanych objętościowo cząstek znajdujących się pod chmurą burzową. Priorytetowy kierunek wyładowania zależy od maksymalnego natężenia pola elektrycznego. Na znacznych wysokościach kierunek ten wyznacza jedynie kanał lidera (ryc. 19).

Kiedy kanał wiodący wyładowania atmosferycznego przemieszcza się w kierunku powierzchni ziemi, jego pole elektryczne jest zniekształcane przez pole ziemskie i masywne naziemne obiekty energetyczne. Maksymalne wartości natężenia i kierunku propagacji piorunochronu wyznaczają zarówno jego ładunki własne, jak i ładunki skupione na ziemi, a także na sztucznych konstrukcjach (ryc. 20).

Wysokość H głowy lidera nad powierzchnią ziemi, na której znaczący wpływ na pole elektryczne lidera objawia się polami ładunków zgromadzonych w znacznych ilościach na ziemi i w obiektach elektroenergetycznych, zdolnych do zmiany kierunku ruchu lidera lidera, nazywana jest wysokością orientacji wyładowania piorunowego.
Im więcej ładunków elektrycznych znajduje się w kanale lidera, tym na większej wysokości może pojawić się zmiana trajektorii pioruna.

Rysunek 21 przedstawia ruch głównego wyładowania z powierzchni ziemi do chmury burzowej oraz propagację lidera w kierunku ziemi (płaska powierzchnia).

Kiedy wyładowanie piorunowe przemieszcza się w kierunku wysokiego obiektu naziemnego (podpory linii energetycznej lub wieży) w kierunku wyładowania liderowego rozprzestrzeniającego się z chmury burzowej na powierzchnię ziemi, z podpory naziemnej rozwija się przeciwprzewodnik (ryc. 22.). W tym przypadku główny wyładowanie powstaje w miejscu połączenia między liderami i porusza się w obu kierunkach.

Ryż. 22. Rozwój stopnia lidera (na górze) i głównego etapu wyładowania (na dole), gdy wyładowanie piorunowe uderza w metalowy wspornik

Proces powstawania pioruna pokazuje, że już na etapie lidera ustalane jest konkretne miejsce wyładowania piorunowego. Jeśli bezpośrednio pod chmurą burzową znajduje się wysoka konstrukcja naziemna (na przykład wieża telewizyjna lub wspornik linii energetycznej), wówczas wyłaniający się lider będzie przemieszczał się w stronę ziemi najkrótszą drogą, czyli w stronę lidera, która rozciąga się w górę od konstrukcji gruntu.

Na podstawie praktycznych doświadczeń możemy stwierdzić, że najczęściej piorun uderza w te obiekty energetyczne, które posiadają skuteczne uziemienie i dobrze przewodzą prąd. Na tej samej wysokości wyładowanie atmosferyczne uderza w obiekt, który ma lepsze uziemienie i wyższą przewodność elektryczną. Przy różnej wysokości obiektów elektroenergetycznych i sąsiadującym z nimi gruntem również o różnej rezystywności, piorun może uderzyć w obiekt położony niżej, na gruncie o lepszej przewodności (rys. 23).

Ryż. 23. Selektywna podatność na wyładowania atmosferyczne: gleba o dużej przewodności elektrycznej (a); gleba o obniżonej przewodności (b).

Fakt ten można wytłumaczyć faktem, że podczas opracowywania stopnia lidera prądy przewodzenia płyną ścieżką o zwiększonej przewodności, dlatego w niektórych obszarach występuje koncentracja ładunków związanych z liderem. W rezultacie zwiększa się wpływ pola elektrycznego ładunków znajdujących się na powierzchni ziemi na pole elektryczne powstającego lidera. To wyjaśnia selektywność pioruna. Z reguły najczęściej dotyczy to obszarów glebowych i sztucznych konstrukcji naziemnych o wysokiej przewodności. W praktyce ustalono, że w liniach wysokiego napięcia piorun uderza w nie więcej niż jedną trzecią podpór zlokalizowanych w ściśle określonych miejscach.

Teoria selektywnego uszkodzenia obiektów ziemskich przez wyładowania atmosferyczne znalazła praktyczne potwierdzenie w rozmieszczeniu ochrony odgromowej i uziemieniu obiektów elektroenergetycznych podstacji elektrycznych. Obszary charakteryzujące się niską przewodnością były znacznie mniej narażone na uderzenia pioruna. Na ryc. Rysunek 24 przedstawia pole elektryczne pomiędzy ziemią a chmurą burzową przed uderzeniem pioruna.

Wraz ze stopniową zmianą natężenia pola elektrycznego chmury burzowej, przewodność gleby zapewnia równowagę liczby ładunków, gdy zmienia się pole elektryczne chmury. Podczas wyładowania atmosferycznego natężenie pola zmienia się tak szybko, że ze względu na niską przewodność gleby nie ma czasu na dokonanie redystrybucji ładunku. Koncentracja ładunków w poszczególnych miejscach powoduje wzrost natężenia pola elektrycznego pomiędzy charakterystycznymi miejscami a chmurą burzową (ryc. 25), w związku z czym wyładowania atmosferyczne selektywnie uderzają w te miejsca.

Potwierdza to wyraźnie teorię selektywności wyładowań atmosferycznych, zgodnie z którą w podobnych warunkach piorun zawsze uderza w te miejsca, w których występuje zwiększona przewodność elektryczna gruntu.

Główne parametry pioruna

Aby scharakteryzować prądy piorunowe, stosuje się następujące parametry:

• Maksymalna wartość impulsu prądu piorunowego.
• Stopień stromości frontu pioruna.
• Czas trwania czoła impulsu prądowego.
• Pełny czas trwania impulsu.

Czas trwania impulsu prądu piorunowego to czas potrzebny, aby wyładowanie powrotne pokonało odległość pomiędzy ziemią a chmurą burzową (20...100 μs). Czoło impulsu prądu piorunowego mieści się w zakresie od 1,5 do 10 μs.

Średni czas trwania impulsu prądu piorunowego wynosi 50 μs. Wartość ta jest standardową wartością impulsu prądu piorunowego podczas badania wytrzymałości dielektrycznej kabli ekranowanych: muszą one wytrzymać bezpośrednie uderzenia pioruna i zachować integralność izolacji. Aby przetestować wytrzymałość izolacji pod wpływem impulsów napięcia piorunowego (testy regulowane są przez GOST 1516.2-76), przyjmuje się standardowy impuls prądu piorunowego, pokazany na ryc. 26 (dla wygody obliczeń rzeczywisty przód zredukowano do równoważnego ukośnego).

Na osi pionowej impulsowego skanu przepięć, na poziomie równym 0,3 Umax i 0,9 Umax, zaznaczono punkty kontrolne, połączone linią prostą. Przecięcie tej prostej z osią czasu i z poziomą prostą styczną do Umax pozwala wyznaczyć czas trwania impulsu Tf. Standardowy impuls piorunowy ma wartość 1,2/50: gdzie Tf=1,2 µs, Ti=50 µs (pełny czas trwania impulsu).

Inną ważną cechą impulsu piorunowego jest szybkość narastania prądu napięciowego na czole impulsu (nachylenie czoła, A*μs). W tabeli 1 przedstawiono główne parametry wyładowań atmosferycznych dla terenu płaskiego. W górach następuje spadek amplitudy wahań prądu piorunowego (prawie dwukrotnie) w porównaniu z wartościami dla równin. Wyjaśnia to fakt, że góry są bliżej chmur, dlatego na obszarach górskich pioruny występują przy znacznie mniejszej gęstości naładowanych cząstek w chmurach burzowych, co prowadzi do zmniejszenia wartości amplitudy prądów piorunowych.

Według tabeli, gdy piorun uderza w wsporniki linii wysokiego napięcia, powstają ogromne prądy - ponad 200 kA. Jednak takie wyładowania atmosferyczne, które powodują znaczne prądy, obserwuje się niezwykle rzadko: prądy powyżej 100 kA występują w nie więcej niż 2% przypadków ogólnej liczby wyładowań atmosferycznych, a prądy powyżej 150 kA występują w mniej niż 0,5% przypadków. Rozkład prawdopodobieństwa wartości amplitud prądów piorunowych w zależności od wartości amplitud prądów pokazano na ryc. 27. Około 40% wszystkich wyładowań atmosferycznych ma prądy nieprzekraczające 20 kA.

Ryż. 28. Krzywe rozkładu prawdopodobieństwa (w %) nachylenia czoła impulsu prądu piorunowego. Krzywa 1 – dla terenów płaskich; krzywa 2 – dla warunków górskich.

Poziom szumów impulsowych i przepięć występujących w obiektach elektroenergetycznych zależy od rzeczywistego nachylenia czoła prądu pulsacyjnego wyładowania atmosferycznego. Stopień stromości zmienia się w szerokim zakresie i ma słabą korelację z wartościami amplitudy prądów piorunowych. Na ryc. Rycina 28 przedstawia obraz rozkładu prawdopodobieństwa poziomu stromości czołowego impulsu prądu piorunowego na równinie (krzywa 1) i w górach (krzywa 2).

Wpływ prądów piorunowych

Podczas przepływu prądów piorunowych przez różne obiekty te ostatnie poddawane są wpływom mechanicznym, elektromagnetycznym i termicznym.
Znaczne wytwarzanie ciepła może zniszczyć przewody metalowe o małych przekrojach (na przykład wkładki topikowe lub przewody telegraficzne). Aby określić wartość krytyczną prądu piorunowego Im (kA), przy której następuje stopienie lub nawet odparowanie przewodnika, stosuje się następujący wzór

k – współczynnik właściwy w zależności od materiału przewodnika (miedź 300...330, aluminium 200...230, stal 115...440).
Q – przekrój przewodu, mm2;
tm to czas trwania impulsu prądu piorunowego, μs.

Najmniejszy przekrój przewodnika (piorunochronu), gwarantujący jego bezpieczeństwo podczas wyładowania piorunowego w obiekcie elektroenergetycznym, wynosi 28 mm2. Przy maksymalnych wartościach prądu stalowy przewodnik o podobnym przekroju nagrzewa się do setek stopni w ciągu kilku mikrosekund, zachowując jednak swoją integralność. Części metalowe wystawione na działanie kanału piorunowego mogą stopić się na głębokość 3-4 mm. Przerwy poszczególnych żył w kablach odgromowych na liniach elektroenergetycznych często powstają na skutek przepalenia przez wyładowanie atmosferyczne w punktach styku kanału odgromowego z kablem.

Z tego powodu piorunochrony stalowe mają duże przekroje: kable odgromowe muszą mieć przekrój co najmniej 35 mm2, a piorunochrony muszą mieć przekrój co najmniej 100 mm2. Kiedy kanał pioruna uderzy w materiały łatwopalne i łatwopalne (drewno, słomę, paliwa i smary, paliwo gazowe itp.), może nastąpić eksplozja i pożar. Mechaniczne oddziaływanie prądu piorunowego objawia się zniszczeniem konstrukcji drewnianych, ceglanych i kamiennych, które nie posiadają ochrony odgromowej i odpowiedniego uziemienia.

Rozszczepianie się drewnianych słupów linii energetycznych tłumaczy się tym, że prąd piorunowy, przechodząc przez wewnętrzną strukturę drewna, powoduje obfite uwolnienie pary wodnej, która pod swoim ciśnieniem rozbija włókna drewna. Podczas deszczowej pogody rozłupywanie drewna jest rzadsze niż przy suchej pogodzie. Ponieważ mokre drewno charakteryzuje się lepszą przewodnością, prąd piorunowy przepływa głównie po powierzchni drewna, nie powodując znaczących uszkodzeń konstrukcji drewnianych.

Podczas wyładowań atmosferycznych z drewnianych podpór często wyrywane są kawałki drewna o grubości do trzech centymetrów i szerokości do pięciu centymetrów, a w niektórych przypadkach piorun rozrywa na pół słupki i poprzeczki podpór, które nie są wyposażone w uziemienie . W takim przypadku metalowe elementy izolatorów (śruby i haki) wylatują ze swoich miejsc i spadają na ziemię. Któregoś dnia piorun był tak silny, że ogromna topola wysoka na około 30 m zamieniła się w kupkę drobnych wiórów.

Przechodząc przez wąskie pęknięcia i małe otwory, wyładowania atmosferyczne powodują znaczne zniszczenia. Na przykład prądy piorunowe łatwo odkształcają ograniczniki rurowe zainstalowane na liniach energetycznych. Nawet klasyczne dielektryki (kamień i cegła) podlegają niszczycielskiemu działaniu potężnych wyładowań. Siły uderzenia elektrostatycznego, jakie mają pozostałe ładunki, mogą z łatwością zniszczyć grubościenne budynki z cegły i kamienia.

Na etapie głównego wyładowania piorunowego, w pobliżu miejsca jego uderzenia, w przewodnikach i konstrukcjach metalowych obiektów energetycznych powstają zakłócenia impulsowe i przepięcia, które przechodząc przez uziemienie obiektów energetycznych, wytwarzają szum impulsowy o wysokiej częstotliwości i znaczny spadek napięcia osiągający 1000 kV lub więcej. Wyładowania piorunowe mogą wystąpić nie tylko pomiędzy chmurami burzowymi a ziemią, ale także pomiędzy pojedynczymi chmurami. Pioruny takie są całkowicie bezpieczne dla personelu i urządzeń obiektów elektroenergetycznych. Jednocześnie wyładowania atmosferyczne dochodzące do ziemi stwarzają poważne zagrożenie dla ludzi i urządzeń technicznych.

Aktywność burzowa w Federacji Rosyjskiej

W różnych częściach naszego kraju intensywność aktywności burzowej jest bardzo zróżnicowana. Regiony północne charakteryzują się najsłabszą aktywnością burzową. W miarę przesuwania się na południe wzrasta aktywność burzowa, która charakteryzuje się liczbą dni w roku, w których występowały burze. Średni czas trwania burzy w ciągu jednego dnia burzowego na terytorium Federacji Rosyjskiej wynosi od 1,5 do 2 godzin. Aktywność burzową dla dowolnego punktu Federacji Rosyjskiej ustala się za pomocą specjalnych map meteorologicznych aktywności burzowej, które opracowywane są na podstawie danych z wieloletnich obserwacji stacji meteorologicznych (ryc. 29).

Interesujące fakty na temat błyskawic:

• Na obszarach, gdzie burza trwa 30 godzin w roku, średnio co dwa lata zdarza się jedno uderzenie pioruna na kilometr kwadratowy powierzchni ziemi.
• Co sekundę na powierzchnię naszej planety uderza ponad sto piorunów.