Pára-raios para árvores. Formação de descargas atmosféricas Impacto das correntes atmosféricas

Tempestade - o que é isso? De onde vêm os relâmpagos que cortam todo o céu e os trovões ameaçadores? Uma tempestade é um fenômeno natural. Os relâmpagos, chamados relâmpagos, podem se formar dentro das nuvens (cumulonimbus) ou entre nuvens. Geralmente são acompanhados por trovões. Os relâmpagos estão associados a chuvas fortes, ventos fortes e, muitas vezes, granizo.

Atividade

A tempestade é uma das pessoas mais perigosas. Pessoas atingidas por raios sobrevivem apenas em casos isolados.

Existem aproximadamente 1.500 tempestades operando no planeta ao mesmo tempo. A intensidade das descargas é estimada em cem raios por segundo.

A distribuição das tempestades na Terra é desigual. Por exemplo, existem 10 vezes mais deles nos continentes do que no oceano. A maioria (78%) das descargas atmosféricas concentra-se nas zonas equatorial e tropical. As tempestades são registradas com especial frequência na África Central. Mas as regiões polares (Antártica, Ártico) e os pólos dos raios são praticamente invisíveis. A intensidade de uma tempestade está relacionada ao corpo celeste. Nas latitudes médias, seu pico ocorre no período da tarde (diurno), no verão. Mas o mínimo foi registrado antes do nascer do sol. As características geográficas também são importantes. Os centros de tempestades mais poderosos estão localizados na Cordilheira e no Himalaia (regiões montanhosas). O número anual de “dias de trovoada” também varia na Rússia. Em Murmansk, por exemplo, existem apenas quatro deles, em Arkhangelsk - quinze, Kaliningrado - dezoito, São Petersburgo - 16, Moscou - 24, Bryansk - 28, Voronezh - 26, Rostov - 31, Sochi - 50, Samara - 25, Kazan e Ekaterinburg - 28, Ufa - 31, Novosibirsk - 20, Barnaul - 32, Chita - 27, Irkutsk e Yakutsk - 12, Blagoveshchensk - 28, Vladivostok - 13, Khabarovsk - 25, Yuzhno-Sakhalinsk - 7, Petropavlovsk- Kamchatsky - 1.

Desenvolvimento de uma tempestade

Como está indo? é formado apenas sob certas condições. Deve haver fluxos ascendentes de umidade e deve haver uma estrutura onde uma fração das partículas esteja no estado gelado e a outra no estado líquido. A convecção que levará ao desenvolvimento de uma tempestade ocorrerá em vários casos.

Aquecimento desigual das camadas superficiais. Por exemplo, sobre água com uma diferença significativa de temperatura. Nas grandes cidades, a intensidade das trovoadas será ligeiramente mais forte do que nas áreas circundantes.

Quando o ar frio desloca o ar quente. A convenção frontal freqüentemente se desenvolve simultaneamente com nuvens de cobertura e nuvens nimbostratus.

Quando o ar sobe nas cadeias de montanhas. Mesmo altitudes baixas podem levar ao aumento da formação de nuvens. Esta é a convecção forçada.

Qualquer nuvem de tempestade, independentemente do seu tipo, passa necessariamente por três estágios: cúmulo, maturidade e decadência.

Classificação

Durante algum tempo, as trovoadas foram classificadas apenas no local de observação. Eles foram divididos, por exemplo, em ortográficos, locais e frontais. Já as tempestades são classificadas de acordo com as características dependendo dos ambientes meteorológicos em que se desenvolvem. são formados devido à instabilidade atmosférica. Esta é a principal condição para a criação de nuvens de trovoada. As características de tais fluxos são muito importantes. Dependendo de sua potência e tamanho, diferentes tipos de nuvens de tempestade são formados, respectivamente. Como eles estão divididos?

1. Cumulonimbus unicelulares, (local ou intramassa). Tenha atividade de granizo ou trovoada. As dimensões transversais variam de 5 a 20 km, dimensões verticais - de 8 a 12 km. Essa nuvem “vive” por até uma hora. Depois de uma tempestade, o clima permanece praticamente inalterado.

2. Cluster multicelular. Aqui a escala é mais impressionante - até 1.000 km. Um cluster multicelular abrange um grupo de células de tempestade que estão em vários estágios de formação e desenvolvimento e ao mesmo tempo constituem um todo. Como eles são construídos? As células maduras da tempestade estão localizadas no centro e as células em desintegração estão localizadas no centro.Suas dimensões transversais podem chegar a 40 km. Tempestades multicelulares em cluster produzem rajadas de vento (fortes, mas não fortes), chuva e granizo. A existência de uma célula madura é limitada a meia hora, mas o próprio aglomerado pode “viver” por várias horas.

3. Linhas de instabilidade. Estas também são tempestades multicelulares. Eles também são chamados de lineares. Eles podem ser sólidos ou com lacunas. As rajadas de vento aqui são mais longas (na borda principal). Ao se aproximar, uma linha multicelular aparece como uma parede escura de nuvens. O número de fluxos (upstream e downstream) aqui é bastante grande. É por isso que tal complexo de tempestades é classificado como multicelular, embora a estrutura da tempestade seja diferente. Uma linha de instabilidade pode produzir chuvas intensas e grandes granizos, mas é mais frequentemente “limitada” por fortes correntes descendentes. Muitas vezes ocorre antes de uma frente fria. Nas fotografias, tal sistema tem o formato de um arco curvo.

4. Tempestades supercélulas. Essas tempestades são raras. Eles são especialmente perigosos para a propriedade e a vida humana. A nuvem deste sistema é semelhante à nuvem unicelular, pois ambas diferem em uma zona de corrente ascendente. Mas seus tamanhos são diferentes. A nuvem supercélula é enorme - cerca de 50 km de raio e altura - até 15 km. Seus limites podem estar na estratosfera. A forma lembra uma única bigorna semicircular. A velocidade dos fluxos ascendentes é muito maior (até 60 m/s). Uma característica é a presença de rotação. É isso que cria fenômenos extremos e perigosos (granizo grande (mais de 5 cm), tornados destrutivos). O principal fator para a formação dessa nuvem são as condições ambientais. Estamos falando de uma convenção muito forte com temperaturas a partir de +27 e vento com direção variável. Tais condições surgem durante o cisalhamento do vento na troposfera. A precipitação formada nas correntes ascendentes é transferida para a zona de corrente descendente, o que garante uma vida longa à nuvem. A precipitação é distribuída de forma desigual. As chuvas ocorrem perto da corrente ascendente e o granizo ocorre mais perto do nordeste. A cauda da tempestade pode mudar. Então a área mais perigosa estará próxima à corrente ascendente principal.

Existe também o conceito de “tempestade seca”. Este fenômeno é bastante raro, característico das monções. Com tal tempestade não há precipitação (simplesmente não chega, evaporando como resultado da exposição a altas temperaturas).

Velocidade de movimento

Para uma tempestade isolada é de aproximadamente 20 km/h, às vezes mais rápido. Se frentes frias estiverem ativas, as velocidades podem chegar a 80 km/h. Em muitas tempestades, as antigas células de tempestade são substituídas por novas. Cada um deles percorre uma distância relativamente curta (cerca de dois quilômetros), mas no total a distância aumenta.

Mecanismo de eletrificação

De onde vêm os próprios relâmpagos? ao redor das nuvens e dentro delas em constante movimento. Este processo é bastante complicado. A maneira mais fácil de imaginar o trabalho das cargas elétricas em nuvens maduras. A estrutura dipolo positiva domina neles. Como é distribuído? A carga positiva está colocada no topo e a carga negativa está localizada abaixo dela, dentro da nuvem. Segundo a hipótese principal (esta área da ciência ainda pode ser considerada pouco explorada), as partículas mais pesadas e maiores têm carga negativa, enquanto as pequenas e leves têm carga positiva. Os primeiros caem mais rápido que os segundos. Isso causa a separação espacial das cargas espaciais. Este mecanismo é confirmado por experimentos de laboratório. Partículas de grãos de gelo ou granizo podem ter forte transferência de carga. A magnitude e o sinal dependerão do conteúdo de água da nuvem, da temperatura do ar (ambiente) e da velocidade de colisão (principais fatores). A influência de outros mecanismos não pode ser excluída. As descargas ocorrem entre o solo e a nuvem (ou atmosfera neutra, ou ionosfera). É neste momento que vemos flashes cortando o céu. Ou relâmpago. Este processo é acompanhado por estrondos altos (trovões).

Uma tempestade é um processo complexo. Pode levar muitas décadas, e talvez até séculos, para estudá-lo.

As árvores muitas vezes se tornam alvos de raios, o que às vezes leva a consequências muito graves. Falaremos sobre os perigos de ser atingido por um raio tanto para as próprias árvores quanto para as pessoas que vivem perto delas, e também como você pode reduzir os riscos associados a esse fenômeno.

Onde cai o raio?

Em grande parte da Terra, as tempestades são bastante comuns. Ao mesmo tempo, cerca de mil e quinhentas tempestades assolam a Terra. Todos os anos, por exemplo, Moscou passa por mais de 20 dias de tempestade. Mas apesar da familiaridade deste fenômeno natural, seu poder não pode deixar de chocar. A corrente média do raio é de cerca de 100.000 volts e a corrente é de 20.000 a 50.000 amperes. A temperatura do canal do raio atinge 25.000 – 30.000 °C. Não é surpreendente que os raios que atingem edifícios, árvores ou pessoas e espalham a sua carga eléctrica conduzam frequentemente a consequências catastróficas.

Embora um raio atingindo um único objeto terrestre, seja um edifício, um mastro ou uma árvore, seja um evento bastante raro, seu colossal poder destrutivo faz das tempestades um dos fenômenos naturais mais perigosos para os seres humanos. Assim, segundo as estatísticas, um em cada sete incêndios nas zonas rurais começa devido a um raio; em termos de número de mortes registadas causadas por catástrofes naturais, os raios ocupam o segundo lugar, atrás apenas das inundações.

A probabilidade de danos a objetos terrestres (incluindo árvores) por raios depende de vários fatores:

• na intensidade da atividade trovoada na região (relacionada às características climáticas);
• na altura do objeto (quanto mais alto, maior a probabilidade de queda de um raio);
• da resistência elétrica do objeto e das camadas de solo localizadas abaixo dele (quanto menor a resistência elétrica do objeto e das camadas de solo localizadas abaixo dele, maior a probabilidade de uma descarga atmosférica nele).

Do exposto, fica claro por que as árvores muitas vezes se tornam alvos de raios: uma árvore é muitas vezes o elemento de altura dominante do relevo; a madeira viva saturada de umidade, conectada a camadas profundas de solo com baixa resistência elétrica, muitas vezes representa uma área bem aterrada. pára-raios naturais.

Atividade de tempestades em alguns assentamentos da região de Moscou

Localidade	Duração média anual das trovoadas, horas	Densidade específica de descargas atmosféricas por 1 km²	Características gerais da atividade de tempestade
Volokolamsk	40–60	4	alto
Istra	40–60	4	alto
Nova Jerusalém	40–60	4	alto
Pavlovsky Posad	20–40	2	média
Moscou	20–40	2	média
Kashira	20–40	2	média

Qual é o perigo de uma árvore ser atingida por um raio?

As consequências de um raio em uma árvore são muitas vezes devastadoras para si e para os edifícios próximos, e também representam uma ameaça significativa para as pessoas que estão por perto naquele momento. Quando uma poderosa carga elétrica passa pela madeira, ocorre uma poderosa liberação de calor e uma evaporação explosiva de umidade dentro do tronco. Isso resulta em danos de gravidade variável: desde queimaduras superficiais ou rachaduras até rachaduras completas no tronco ou incêndio na árvore. Em alguns casos, ocorrem danos mecânicos significativos no interior do tronco (fissuras longitudinais ou rachaduras da madeira ao longo dos anéis anuais), que são praticamente invisíveis durante a inspeção externa, mas aumentam significativamente o risco de queda da árvore num futuro próximo. Freqüentemente, podem ocorrer danos graves, mas não perceptíveis na inspeção visual, nas raízes de uma árvore.

Se os danos causados ​​​​pelo raio não levarem à destruição imediata ou morte da árvore, os ferimentos extensos que ela recebe podem causar o desenvolvimento de doenças perigosas, como podridão, doenças vasculares, e a planta enfraquecida torna-se presa fácil para pragas do caule. Isso pode fazer com que a árvore se torne insegura ou seque.

Quedas de raios em árvores (incluindo as vivas) costumam causar incêndios que se espalham para edifícios próximos. Às vezes, uma descarga lateral de uma árvore é transmitida para a parede de um edifício, mesmo que um pára-raios esteja instalado nela. Finalmente, o potencial eléctrico da árvore afectada espalha-se pelas camadas superficiais do solo, o que pode resultar no seu transporte para dentro de um edifício, danificando serviços subterrâneos ou electrocutando pessoas ou animais de estimação.

A queda de um raio em uma árvore pode causar danos materiais significativos, mesmo que não ocorra nenhuma emergência. Afinal, avaliar a segurança de tal árvore, cuidados especiais com ela ou mesmo a simples remoção de uma árvore seca ou irremediavelmente doente podem estar associados a custos materiais significativos.

Às vezes, uma descarga lateral de uma árvore é transmitida para a parede de um edifício, mesmo que um pára-raios esteja instalado nela.

Questões regulatórias

Assim, a proteção contra raios de árvores especialmente valiosas (que são o centro das composições paisagísticas, históricas e raras) ou de árvores que crescem perto de habitações pode ser praticamente justificada. No entanto, o quadro regulamentar que prescreve ou regulamenta a protecção contra raios de árvores está completamente ausente no nosso país. Este estado de coisas é mais provavelmente uma consequência da inércia do quadro regulamentar nacional do que de uma avaliação adequada dos riscos associados aos danos provocados por raios nas árvores num ambiente urbanizado.

O principal padrão nacional atual para proteção contra raios remonta a 1987. A atitude relativamente à protecção contra raios em zonas suburbanas neste documento reflecte as realidades e posições da época: o valor material da maioria dos edifícios suburbanos era baixo e os interesses do Estado centravam-se na protecção da propriedade pública e não na propriedade privada. Além disso, os compiladores das normas nacionais partiram do pressuposto de que, durante a construção de habitações suburbanas, são observados códigos e regulamentos de construção, mas nem sempre é esse o caso. Em particular, a distância mínima do tronco da árvore à parede do edifício deve ser de pelo menos 5 M. Na realidade da construção suburbana, as casas estão frequentemente localizadas perto de árvores. Além disso, os proprietários dessas árvores, em regra, relutam em concordar com a sua remoção.

Em outros países existem normas para proteção contra raios: por exemplo, a americana - ANSI-A 300 Papel 4 ou britânico – Padrão Britânico 6.651 também regulamenta a proteção contra raios de árvores.

A distância mínima do tronco da árvore até a parede da edificação deve ser de no mínimo 5 m.

Quando a proteção é necessária?

Em que casos faz sentido pensar em proteção contra raios para uma árvore? Listamos os fatores com base nos quais tal decisão pode ser recomendada.

A árvore cresce em áreas abertas ou visivelmente mais altas que as árvores, edifícios, estruturas e elementos de relevo vizinhos.. Objetos com maior altura são atingidos por raios com mais frequência.

Uma área com alta atividade de trovoadas. Com uma alta frequência de tempestades, a probabilidade de danos às árvores (bem como a outros objetos) aumenta. As principais características da atividade trovoada são o número médio anual de horas de trovoada, bem como a densidade específica média de descargas atmosféricas no solo (número médio anual de descargas atmosféricas por 1 km²) da superfície terrestre. O último indicador é usado para calcular o número esperado de danos causados ​​​​por raios a um objeto (incluindo uma árvore) por ano. Por exemplo, no caso de uma área com uma duração média de trovoadas de 40 a 60 horas por ano (em particular, algumas áreas da região de Moscovo), pode-se esperar que uma árvore com 25 m de altura seja danificada uma vez a cada 20 anos.

Localização do local próximo a reservatórios, nascentes subterrâneas, alta umidade do solo no local . Este arranjo aumenta ainda mais o risco de um raio atingir a árvore.

A árvore alta cresce a três metros ou menos do prédio. Esta disposição da árvore não afeta a probabilidade de um raio atingi-la. No entanto, os danos causados ​​às árvores localizadas perto dos edifícios representam ameaças significativas tanto para os próprios edifícios como para as pessoas que neles se encontram. Ao mesmo tempo, aumenta o risco de danos ao edifício por uma descarga lateral; o risco de danos ao telhado quando uma árvore cai é muito elevado; se entrar em ignição, o fogo pode espalhar-se para o edifício.

Galhos de árvores pendem sobre o telhado do edifício, tocam suas paredes, copas, calhas ou elementos decorativos da fachada. Nesse caso, aumenta também o risco de danos à edificação, incêndios e transferência da descarga para a casa.

A árvore é uma espécie que é frequentemente ou regularmente atingida por raios . Algumas espécies de árvores têm maior probabilidade de serem atingidas por raios do que outras. Os carvalhos são mais frequentemente atingidos por raios.

As raízes de uma árvore que cresce próximo a um edifício podem entrar em contato com a fundação subterrânea ou com os serviços públicos que levam à casa.. Neste caso, quando uma árvore é atingida por um raio, aumenta a probabilidade de uma descarga “carregar” para dentro das instalações ou danos nas comunicações (por exemplo, sensores do sistema de irrigação e redes elétricas).

Especialistas em proteção contra raios de edifícios recomendam a instalação de um pára-raios autônomo, enquanto a uma distância de 3 a 10 m existem árvores adequadas em altura e outros parâmetros para a instalação de pára-raios e condutor de descida. Instalar um mastro separado pode ser bastante caro. Para muitos proprietários de casas de campo, esses mastros também são esteticamente inaceitáveis. E, por fim, pode ser muito difícil colocar um mastro em uma área florestal de forma que as raízes das árvores não sejam danificadas durante sua construção ou que os cabos de sustentação não interfiram na movimentação das pessoas.

Suscetibilidade a danos causados ​​por árvores desprotegidas de certas espécies
(do padrão ANSI-A 300, Papel 4)

Princípio de funcionamento

O princípio de funcionamento do sistema de proteção contra raios é que a descarga atmosférica seja “interceptada” pelo pára-raios, realizada com segurança pelo condutor de descida e transmitida às camadas profundas do solo por meio de aterramento.

Os componentes de um sistema de proteção contra raios em árvores são: um terminal aéreo (um ou mais), um condutor de descida aéreo, um condutor de descida subterrâneo e um sistema de aterramento composto por diversas hastes ou placas de aterramento.

Ao desenvolver os nossos próprios esquemas de protecção contra raios, deparámo-nos com a necessidade de combinar normas nacionais para a protecção contra raios de edifícios e estruturas e normas ocidentais que regem a protecção contra raios de árvores. A necessidade de tal combinação se deve ao fato de que as normas nacionais atuais não contêm recomendações para a instalação de sistemas de proteção contra raios em árvores, e as regulamentações mais antigas incluem instruções que representam uma ameaça à saúde da árvore. Ao mesmo tempo, a norma americana ANSI A 300, que contém informações detalhadas sobre a montagem do sistema em árvore e os princípios de sua instalação e manutenção, possui requisitos mais baixos de segurança elétrica do sistema em comparação aos padrões nacionais.

Os componentes de proteção contra raios são feitos de cobre ou aço inoxidável. Neste caso, para evitar corrosão, apenas um dos materiais selecionados é utilizado em todas as conexões e contatos entre elementos condutores. Porém, na utilização de cobre, é permitido o uso de elementos de fixação de bronze. Os componentes de cobre são mais caros, mas possuem maior condutividade, o que permite que os componentes sejam menores, menos visíveis e reduzam os custos de instalação do sistema.

Segundo as estatísticas, um em cada sete incêndios nas zonas rurais começa devido a um raio; em termos de número de mortes registadas causadas por catástrofes naturais, os raios ocupam o segundo lugar, perdendo apenas para as inundações.

Componentes do sistema

O pára-raios é um tubo de metal fechado na extremidade. O condutor de descida fica dentro do pára-raios e é preso a ele com parafusos.

Para árvores com copa extensa, podem ser necessários coletores de corrente adicionais, pois neste caso uma descarga atmosférica pode atingir galhos ou topos distantes do pára-raios. Se uma árvore possui um sistema mecânico de sustentação de galhos baseado em cabos metálicos, então, ao realizar a proteção contra raios, ela também deve ser aterrada. Para fazer isso, um condutor de corrente adicional é conectado a ele por meio de um contato de parafuso. Deve-se levar em consideração que o contato direto do cobre com o cabo galvanizado é inaceitável, pois leva à corrosão.

Os condutores de descida dos pára-raios e os contatos adicionais são conectados por meio de contatos de fixação especiais ou conexões aparafusadas. De acordo com a norma ANSI A 300, condutores de descida na forma de cabos de aço maciço de diversas tramas são utilizados para proteção contra raios em árvores. De acordo com os padrões nacionais, a seção transversal efetiva mínima de um condutor de descida de cobre é de 16 mm², a seção transversal efetiva mínima de um condutor de descida de aço é de 50 mm. Ao colocar condutores na madeira, é necessário evitar curvas acentuadas. Curvas do condutor descendente em um ângulo inferior a 900 são inaceitáveis; o raio de curvatura da curva não deve ser inferior a 20 cm.

Os condutores de descida são fixados ao tronco por meio de braçadeiras metálicas, enterradas vários centímetros na madeira do tronco. O material das braçadeiras não deve causar corrosão por contato quando conectado ao condutor de descida. É impossível fixar os condutores amarrando-os a uma árvore com arame, pois o crescimento radial do tronco causará lesões no anel e ressecamento da árvore. A fixação rígida dos condutores de descida na superfície do tronco (com grampos) levará ao seu crescimento no tronco, reduzindo a durabilidade e segurança do sistema e o desenvolvimento de extensa podridão do caule. A melhor opção para fixação do sistema é a instalação de pinças dinâmicas. Neste caso, à medida que o diâmetro do tronco aumenta, os suportes com cabos são automaticamente pressionados na extremidade da haste pela pressão do tecido da madeira. Observe que o aprofundamento dos pinos das pinças alguns centímetros na madeira e seu posterior encapsulamento parcial com madeira praticamente não causa nenhum dano à mesma.

Os condutores de descida descem pelo tronco até sua base e são enterrados na vala.

A profundidade mínima da vala para a parte subterrânea do condutor de descida, prescrita pela norma ANSI A 300, é de 20 cm. A vala é escavada manualmente mantendo o número máximo de raízes. Nos casos em que os danos nas raízes sejam particularmente indesejáveis, deverá ser utilizado equipamento especial para construir a vala. Por exemplo, uma faca de ar é uma ferramenta de compressão projetada para realizar trabalhos de escavação na área do tronco de uma árvore. Usando um fluxo de ar forte e concentrado, este dispositivo é capaz de remover partículas de solo sem danificar até mesmo as raízes mais finas das árvores.

O tipo e os parâmetros do dispositivo de aterramento e a distância que o condutor de descida deve percorrer até ele são determinados pelas propriedades do solo. Isso se deve à necessidade de reduzir a resistência de aterramento do pulso ao nível necessário - a resistência elétrica à propagação de um pulso de corrente elétrica do eletrodo de aterramento. De acordo com os padrões nacionais, em locais frequentados regularmente por pessoas, essa resistência não deve ultrapassar 10 ohms. Este valor de resistência de aterramento deve excluir falhas de corrente do condutor de descida subterrâneo e eletrodo de aterramento para a superfície do solo e, portanto, evitar danos a pessoas, edifícios e comunicações por corrente elétrica. O principal indicador do solo que determina a escolha do esquema de aterramento é a resistividade do solo - a resistência entre duas faces de 1 m³ de terra quando a corrente passa por ele.

Quanto maior a resistividade do solo, mais extenso deve ser o sistema de aterramento para garantir o fluxo seguro da carga elétrica. Em solos com baixa resistividade - até 300 Ohms (argilosos, argilosos, pantanosos) - via de regra, é utilizado um sistema de aterramento de duas hastes de aterramento verticais conectadas por um condutor de descida. É mantida uma distância de pelo menos 5 m entre as hastes. O comprimento das hastes é de 2,5–3 m, a extremidade superior da haste é rebaixada em 0,5 m.

Em solos com altos valores de resistividade (argila arenosa, areia, cascalho), são utilizados sistemas de aterramento multifeixe. Ao limitar a profundidade possível de aterramento, são utilizadas placas de aterramento. Para facilitar a inspeção e testar a confiabilidade do aterramento, pequenos poços são instalados acima dos elementos de aterramento.

A resistividade do solo não é um valor constante; seu valor depende fortemente da umidade do solo. Portanto, durante a estação seca, a confiabilidade do aterramento pode diminuir. Várias técnicas são usadas para evitar isso. Primeiro, sempre que possível, são colocadas hastes de aterramento na área de irrigação. Em segundo lugar, a parte superior da haste é enterrada 0,5 m abaixo da superfície do solo (os 0,5 m superiores do solo são mais propensos a secar). Em terceiro lugar, se necessário, a bentonita é adicionada ao solo - um componente natural de retenção de umidade. A bentonita são pequenas partículas coloidais de argila mineral, cujo espaço poroso retém bem a umidade e estabiliza a umidade do solo.

Madeira viva saturada de umidade, conectada a camadas profundas de solo com baixa resistência elétrica, geralmente representa um pára-raios natural bem aterrado.

Erros comuns

Na prática doméstica, a proteção contra raios em árvores raramente é utilizada e, nos casos em que é realizada, vários erros graves são cometidos durante o seu projeto. Assim, como pára-raios, via de regra, são utilizadas hastes de metal, fixadas em uma árvore por meio de arame ou aros de metal. Esta opção de fixação provoca graves lesões anulares no tronco, que com o tempo levam ao ressecamento total da árvore. Um certo perigo também é representado pelo crescimento de um condutor de descida no tronco de uma árvore, levando ao aparecimento de extensas feridas longitudinais abertas no tronco.

Como a instalação de proteção contra raios nas árvores é feita por eletricistas, para subir em uma árvore eles costumam usar arpões (crampons) - botas com pontas de metal que causam ferimentos graves na árvore.

Infelizmente, as características da copa das árvores também são ignoradas: via de regra, não é levada em consideração a necessidade de instalação de vários pára-raios em árvores com copas múltiplas e copas largas; defeitos estruturais na ramificação da árvore também não são levados em consideração conta, o que muitas vezes leva à quebra e queda do topo com o pára-raios instalado.

A proteção contra raios de árvores não pode ser considerada uma prática comum. As indicações para sua implementação são bastante raras em áreas com atividade moderada de trovoadas. No entanto, nos casos em que é necessária a proteção contra raios de árvores, a sua correta implementação é extremamente importante. Ao projetar e instalar tais sistemas, é importante considerar não apenas a confiabilidade do pára-raios em si, mas também a segurança do sistema para a árvore protegida.

A confiabilidade final da proteção contra raios dependerá tanto da escolha correta de seus materiais, contatos e aterramento, quanto da estabilidade da própria árvore. Somente levando em consideração as peculiaridades da estrutura da copa, crescimento radial e localização do sistema radicular da árvore, é possível criar um sistema de proteção contra raios que seja confiável e não cause lesões perigosas à árvore e, portanto, não crie riscos desnecessários para as pessoas que vivem nas proximidades.

Ministério da Educação da Federação Russa
Universidade Estadual de Kazan
Faculdade de Geografia e Ecologia
Departamento de Meteorologia, Climatologia e Ecologia Atmosférica
Atividade de tempestade em Predkamye
Trabalho do curso
Aluno do 3º ano, gr. 259 Khimchenko D.V.

Supervisor científico Professor Associado Tudriy V.D. ________
Cazã 2007
Contente

Introdução
1. Atividade de tempestade
1.1. Características das tempestades
1.2. Tempestade, sua influência no homem e na economia nacional
1.3. Tempestades e atividade solar
2. Métodos de obtenção e processamento de dados iniciais
2.1. Obtenção de material inicial
2.2. Características estatísticas básicas
2.3. Características estatísticas dos índices de atividade de trovoadas
2.4. Distribuição de características estatísticas básicas
2.5. Análise de tendências
2.6. Dependência da regressão do número de dias com trovoadas nos números de Wolf
Conclusão
Literatura
Formulários
Introdução

O desenvolvimento típico de nuvens cumulonimbus e a precipitação das mesmas está associado a poderosas manifestações de eletricidade atmosférica, nomeadamente a múltiplas descargas elétricas nas nuvens ou entre as nuvens e a Terra. Essas descargas de faíscas são chamadas de relâmpagos e os sons que as acompanham são chamados de trovões. Todo o processo, muitas vezes acompanhado por aumentos de curto prazo nas rajadas de vento, é chamado de tempestade.
As tempestades causam grandes danos à economia nacional. Muita atenção é dada às suas pesquisas. Por exemplo, nas principais direções do desenvolvimento económico e social da URSS para 1986-1990. e grandes eventos foram previstos para o período até o ano 2000. Entre eles, adquiriu particular importância a investigação dos fenómenos meteorológicos perigosos para a economia nacional e a melhoria dos métodos de previsão dos mesmos, incluindo trovoadas e aguaceiros associados, granizo e rajadas. Hoje em dia, muita atenção também é dada aos problemas associados à atividade de trovoadas e à proteção contra raios.
Muitos cientistas de nossos países e de países estrangeiros estiveram envolvidos em atividades de tempestades. Há mais de 200 anos, B. Franklin estabeleceu a natureza elétrica das tempestades; há mais de 200 anos, M.V. Lomonosov introduziu a primeira teoria dos processos elétricos em tempestades. Apesar disso, ainda não existe uma teoria geral satisfatória sobre tempestades.
A escolha recaiu sobre este tema não por acaso. Recentemente, o interesse pela atividade de trovoadas tem aumentado, o que se deve a muitos fatores. Entre eles: um estudo mais aprofundado da física das trovoadas, melhoria das previsões de trovoadas e métodos de proteção contra raios, etc.
O objetivo deste trabalho de curso é estudar as características temporais da distribuição e dependência de regressão da atividade de trovoadas com números de Wolf em diferentes períodos e em diferentes regiões da região de Predkamye.
Objetivos do curso
1. Criar um banco de dados em mídia técnica do número de dias com trovoada com discretização de dez dias, como principais características da atividade de trovoada, e números de Wolf, como principal característica da atividade solar.
2. Calcular as principais características estatísticas do regime de trovoadas.
3. Encontre a equação para a tendência do número de dias com trovoadas.
4. Encontre a equação de regressão para o número de dias com trovoadas nos números Predkamye e Wolf.
Capítulo 1. Atividade de tempestade
1.1 Características das trovoadas

As principais características de suas trovoadas são: o número de dias com trovoadas e a frequência das trovoadas.
As tempestades são especialmente comuns em terras em latitudes tropicais. Existem áreas onde ocorrem 100-150 dias ou mais por ano com trovoadas. Nos oceanos dos trópicos há muito menos tempestades, aproximadamente 10 a 30 dias por ano. Os ciclones tropicais são sempre acompanhados por fortes tempestades, mas as perturbações em si raramente são observadas.
Nas latitudes subtropicais, onde prevalece a alta pressão, há muito menos trovoadas: sobre a terra ocorrem 20-50 dias com trovoadas por ano, sobre o mar 5-20 dias. Nas latitudes temperadas, há 10 a 30 dias com trovoadas na terra e 5 a 10 dias no mar. Nas latitudes polares, as tempestades são um fenômeno isolado.
A diminuição do número de trovoadas de baixas para altas latitudes está associada a uma diminuição do conteúdo de água das nuvens com a latitude devido à diminuição da temperatura.
Nos trópicos e subtrópicos, as tempestades são observadas com mais frequência durante a estação chuvosa. Nas latitudes temperadas sobre terra, a maior frequência de trovoadas ocorre no verão, quando a convecção nas massas de ar locais se desenvolve fortemente. No inverno, as tempestades em latitudes temperadas são muito raras. Mas sobre o oceano, as tempestades que surgem em massas de ar frio aquecidas por baixo por água quente têm frequência máxima de ocorrência no inverno. No extremo oeste da Europa (Ilhas Britânicas, costa da Noruega) as tempestades de inverno também são comuns.
Estima-se que 1.800 tempestades ocorram simultaneamente no globo e aproximadamente 100 relâmpagos a cada segundo. As tempestades são observadas com mais frequência nas montanhas do que nas planícies.
1.2 Trovoada, o seu impacto nas pessoas e na economia nacional

Uma tempestade é um daqueles fenômenos naturais que a pessoa mais desatenta percebe. Seus efeitos perigosos são amplamente conhecidos. Pouco se sabe sobre os seus efeitos benéficos, embora desempenhem um papel significativo. Atualmente, o problema de previsão de tempestades e fenômenos convectivos perigosos associados parece ser o mais premente e um dos mais difíceis na meteorologia. As principais dificuldades na sua resolução residem na discrição da distribuição das trovoadas e na complexidade da relação entre as trovoadas e os numerosos factores que influenciam a sua formação. O desenvolvimento de trovoadas está associado ao desenvolvimento da convecção, que é muito variável no tempo e no espaço. A previsão de trovoadas também é complicada porque, além de prever a situação sinótica, é necessário prever a estratificação e a umidade do ar nas altitudes, a espessura da camada de nuvens e a velocidade máxima da corrente ascendente. É necessário saber como a atividade das trovoadas muda como resultado da atividade humana. A influência de uma tempestade em humanos, animais, atividades diversas; Questões relacionadas à proteção contra raios também são relevantes na meteorologia.
Compreender a natureza das tempestades é importante não apenas para os meteorologistas. O estudo de processos elétricos em volumes tão gigantescos em comparação com a escala de laboratórios permite estabelecer leis físicas mais gerais sobre a natureza das descargas de alta tensão e das descargas em nuvens de aerossóis. O mistério dos relâmpagos só pode ser revelado através da compreensão dos processos que ocorrem nas tempestades.
Com base na sua origem, as tempestades são divididas em intramassivas e frontais.
As tempestades intramassivas são observadas em dois tipos: em massas de ar frio movendo-se para a superfície quente da Terra e sobre terras aquecidas no verão (tempestades locais ou térmicas). Em ambos os casos, a ocorrência de trovoada está associada ao poderoso desenvolvimento de nuvens de convecção e, consequentemente, a uma forte instabilidade da estratificação atmosférica e a fortes movimentos verticais do ar.
As tempestades frontais estão associadas principalmente a frentes frias, onde o ar quente é forçado para cima pelo avanço do ar frio. No verão, em terra, são frequentemente associados a frentes quentes. O ar quente continental que sobe acima da superfície de uma frente quente no verão pode ser estratificado muito instável, de modo que pode ocorrer forte convecção sobre a superfície da frente.
São conhecidas as seguintes ações dos raios: térmicas, mecânicas, químicas e elétricas.
A temperatura dos raios atinge de 8.000 a 33.000 graus Celsius, por isso tem um grande efeito térmico no meio ambiente. Só nos EUA, por exemplo, os raios provocam cerca de 10.000 incêndios florestais todos os anos. No entanto, em alguns casos estes incêndios são benéficos. Por exemplo, na Califórnia, incêndios frequentes há muito que eliminam o crescimento das florestas: eram insignificantes e não prejudiciais às árvores.
A razão para a ocorrência de forças mecânicas durante a queda de um raio é um aumento acentuado da temperatura, pressão dos gases e vapores que surgem no ponto por onde passa a corrente do raio. Assim, por exemplo, quando um raio atinge uma árvore, a seiva da árvore, depois que a corrente passa por ela, passa para o estado gasoso. Além disso, esta transição é de natureza explosiva, resultando na divisão do tronco da árvore.
O efeito químico do raio é pequeno e se deve à eletrólise de elementos químicos.
A ação mais perigosa para os seres vivos é a ação elétrica, pois em decorrência dessa ação um raio pode levar à morte de um ser vivo. Quando um raio atinge edifícios ou equipamentos desprotegidos ou mal protegidos, leva à morte de pessoas ou animais em decorrência da criação de alta tensão em objetos individuais, para isso basta uma pessoa ou animal tocá-los ou estar próximo deles. Um raio atinge uma pessoa mesmo durante pequenas tempestades, e cada ataque direto geralmente é fatal para ela. Após um raio indireto, uma pessoa geralmente não morre, mas mesmo neste caso, é necessária assistência oportuna para salvar sua vida.
Incêndios florestais, linhas de energia e comunicação danificadas, aeronaves e naves espaciais danificadas, instalações de armazenamento de petróleo em chamas, colheitas agrícolas destruídas pelo granizo, telhados arrancados por ventos tempestuosos, pessoas e animais mortos por raios - esta não é uma lista completa das consequências associadas com uma situação de trovoada.
Os danos causados ​​por raios em apenas um ano em todo o mundo são estimados em milhões de dólares. Nesse sentido, estão sendo desenvolvidos novos métodos mais avançados de proteção contra raios e previsões de trovoadas mais precisas, o que, por sua vez, leva a um estudo mais aprofundado dos processos de trovoadas.
1.3 Tempestades e atividade solar

Os cientistas estudam as conexões solar-terrestres há muito tempo. Eles chegaram logicamente à conclusão de que não basta considerar o Sol apenas como fonte de energia radiante. A energia solar é a principal fonte da maioria dos fenômenos físico-químicos na atmosfera, hidrosfera e camada superficial da litosfera. Naturalmente, flutuações bruscas na quantidade dessa energia afetam esses fenômenos.
O astrônomo de Zurique R. Wolf (R. Wolf, 1816-1893) esteve envolvido na sistematização de dados sobre a atividade solar. Ele determinou que, em média aritmética, o período do número máximo e mínimo de manchas solares – os máximos e mínimos da atividade solar – é igual a onze anos.
O crescimento do processo de formação de manchas do ponto mínimo ao máximo ocorre em saltos com subidas e descidas bruscas, mudanças e interrupções. Os saltos crescem constantemente e no momento máximo atingem seus valores mais altos. Esses saltos no aparecimento e desaparecimento de manchas são aparentemente responsáveis ​​por muitos dos efeitos que se desenvolvem na Terra.
A característica mais indicativa da intensidade da atividade solar, proposta por Rudolf Wolf em 1849, é o número de Wolf ou o chamado número das manchas solares de Zurique. É calculado pela fórmula W=k*(f+10g), onde f é o número de manchas observadas no disco solar, g é o número de grupos formados por elas, k é o coeficiente de normalização derivado para cada observador e telescópio para poder compartilhar os valores relativos encontrados pelos números de Wolf. No cálculo de f, cada núcleo ("sombra") separado de um núcleo adjacente por uma penumbra, bem como cada poro (um pequeno ponto sem penumbra) são considerados pontos. Ao calcular g, um ponto individual e até mesmo um poro individual são considerados um grupo.
A partir desta fórmula fica claro que o índice de Wolf é um índice resumido que fornece uma característica geral da atividade das manchas solares do sol. Não leva diretamente em consideração o lado qualitativo da atividade solar, ou seja, poder das manchas e sua estabilidade ao longo do tempo.
O número absoluto do Wolf, ou seja, contado por um observador específico é determinado pela soma do produto do número dez pelo número total de grupos de manchas solares, com cada mancha solar individual contada como um grupo, e o número total de grupos individuais e de manchas solares. O número relativo de Wolf é determinado multiplicando o número absoluto de Wolf por um fator de normalização, que é determinado para cada observador e seu telescópio.
Restauradas a partir de fontes históricas, a partir de meados do século XVI, quando começaram os cálculos do número de manchas solares, as informações permitiram obter a média dos números de Wolf de cada mês anterior. Isso permitiu determinar as características dos ciclos de atividade solar daquela época até os dias atuais.
A atividade periódica do Sol tem um efeito muito perceptível no número e, aparentemente, na intensidade das tempestades. Estas últimas são descargas elétricas visíveis na atmosfera, geralmente acompanhadas de trovões. O relâmpago corresponde à descarga de faísca de uma máquina eletrostática. A formação de uma trovoada está associada à condensação da água. vapores na atmosfera. As massas de ar ascendentes são resfriadas adiabaticamente, e esse resfriamento geralmente ocorre a uma temperatura abaixo do ponto de saturação. Portanto, a condensação do vapor pode ocorrer repentinamente, formando gotículas, criando uma nuvem. Por outro lado, para que ocorra a condensação do vapor é necessária a presença de núcleos ou centros de condensação na atmosfera, que, em primeiro lugar, podem ser partículas de poeira.
Vimos acima que a quantidade de poeira nas camadas superiores do ar pode ser parcialmente determinada pelo grau de intensidade do processo de formação de manchas solares no Sol. Além disso, durante os períodos de passagem das manchas solares através do disco solar, a quantidade de radiação ultravioleta do Sol também aumenta. Essa radiação ioniza o ar e os íons também se tornam núcleos de condensação.
Isto é seguido por processos elétricos em gotículas de água, que adquirem carga elétrica. Uma das razões que causam essas cargas é a adsorção de íons leves do ar por gotículas de água. No entanto, o significado desta adsorção é secundário e muito insignificante. Também foi notado que gotas individuais se fundem em um jato sob a influência de um forte campo elétrico. Consequentemente, flutuações na intensidade do campo e uma mudança no seu sinal podem ter um certo efeito nas gotículas. Provavelmente é assim que gotículas altamente carregadas são formadas durante uma tempestade. Um forte campo elétrico faz com que as gotas também fiquem carregadas de eletricidade.
A questão da periodicidade das tempestades foi levantada na literatura ocidental já na década de 80 do século passado. Muitos pesquisadores dedicaram seus trabalhos a esclarecer esta questão, como Zenger, Krassner, Bezold, Ridder, etc. Assim, Bezold apontou para a periodicidade de 11 dias das trovoadas e, a seguir, do processamento dos fenômenos de trovoadas para o sul da Alemanha para 1800-1887 . recebeu um prazo de 25,84 dias. Em 1900 Ridder encontrou dois períodos para a frequência de tempestades em Ledeberg para 1891-1894, a saber: 27,5 e 33 dias. O primeiro desses períodos está próximo do período de rotação do Sol em torno de seu eixo e quase coincide com o período tropical lunar (27,3). Ao mesmo tempo, foram feitas tentativas de comparar a periodicidade das tempestades com o processo de formação das manchas solares. Um período de onze anos no número de tempestades foi descoberto por Hess para a Suíça.
Na Rússia, D. O. Svyatsky, com base em seus estudos sobre a periodicidade das tempestades, obteve tabelas e gráficos, dos quais são claramente visíveis ambos os períodos de recorrência das chamadas ondas de tempestade para a vasta Rússia europeia, o primeiro - em 24 - 26, o segundo - em 26 a 28 dias, portanto, e a conexão entre fenômenos de tempestade e atividade de manchas solares. Os períodos resultantes revelaram-se tão realistas que foi possível programar a passagem dessas “ondas de trovoada” com vários meses de antecedência. O erro não atinge mais de 1 a 2 dias, na maioria dos casos é obtida uma correspondência completa.
O processamento das observações da atividade de trovoadas realizadas nos últimos anos pela Faas mostra que para todo o território da parte europeia da URSS, os períodos de 26 e 13 (meio período) dias ocorrem com maior frequência e anualmente. O primeiro é novamente um valor muito próximo da revolução do Sol em torno do seu eixo. A pesquisa sobre a dependência dos fenômenos de tempestade em Moscou da atividade solar foi realizada nos últimos anos por A.P. Moiseev, que, tendo observado cuidadosamente a formação de manchas solares e tempestades de 1915 a 1926, chegou à conclusão de que o número e a intensidade das tempestades em média, está diretamente de acordo com a área das manchas solares que passam pelo meridiano central do Sol. As trovoadas tornaram-se mais frequentes e intensificaram-se com o aumento do número de manchas solares e atingiram a sua maior intensidade após a passagem de grandes grupos de manchas solares pelo meio do disco solar. Assim, o curso de longo prazo da curva de frequência das tempestades e o curso da curva do número de manchas solares coincidem muito bem. Moiseev investigou então outro fato interessante, a saber, a distribuição diária das tempestades por hora. O primeiro máximo diário ocorre entre 12h e 13h, horário local. Então de 14 a 15 há uma ligeira diminuição, de 15 a 16 horas ocorre o máximo principal e então a curva diminui. Muito provavelmente, estes fenómenos estão relacionados tanto com a radiação direta do Sol e a ionização do ar, como com as variações de temperatura. A partir da pesquisa de Moiseev fica claro que nos momentos de máxima atividade solar, bem como próximo ao momento de mínimo, a atividade das trovoadas é mais intensa, e nos momentos de máximo é muito mais pronunciada. Isto contradiz um pouco a posição apoiada por Betzold e Hess de que os mínimos da frequência das trovoadas coincidem com os máximos da actividade solar; Faas, no seu tratamento das trovoadas para 1996, indica que prestou especial atenção ao facto de a actividade das trovoadas aumentar com a passagem de grandes manchas solares através do meridiano central do Sol. Para 1926 não foram obtidos resultados positivos, mas em 1923 observou-se uma ligação muito estreita entre os fenómenos. Isto pode ser explicado pelo fato de que durante os anos máximos, as manchas solares agrupam-se mais perto do equador e passam perto do centro aparente do disco solar. Nesta situação, a sua influência perturbadora na Terra deve ser considerada maior. Muitos pesquisadores tentaram encontrar outros períodos de trovoadas, mas as flutuações na atividade das trovoadas a partir dos materiais à nossa disposição ainda são muito difíceis de discernir e não permitem estabelecer quaisquer padrões gerais. De qualquer forma, esta questão tem atraído a atenção de um número cada vez maior de investigadores ao longo do tempo.
O número de trovoadas e sua intensidade refletem-se de certa forma na pessoa e em seus bens. Assim, a partir dos dados estatísticos citados por Budin, fica claro que os máximos de mortes por raios caem nos anos de estresse máximo na atividade do Sol, e seus mínimos - nos anos de manchas solares mínimas. Ao mesmo tempo, o silvicultor russo Tyurin observa que, de acordo com suas pesquisas realizadas em material de massa, os incêndios na área florestal de Bryansk assumiram caráter espontâneo em 1872, 1860, 1852, 183b, 1810, 1797, 1776 e 1753. Nas florestas do Norte também se nota uma periodicidade média de 20 anos, sendo que as datas dos incêndios florestais no Norte coincidem em muitos casos com as datas indicadas, o que mostra a influência da mesma causa - épocas de seca, algumas das eles caem nos anos de atividade solar máxima. Nota-se que também se observa uma boa relação no curso diário da atividade trovoada e no curso diário do número de incêndios provocados por raios.
Capítulo 2. Métodos para obtenção e processamento de dados iniciais
2.1 Obtenção de material inicial

Este trabalho utilizou dados meteorológicos sobre a atividade de trovoadas em sete estações da República do Tartaristão: Tetyushi (1940-1980), Laishevo (1950-1980), Kazan-Opornaya (1940-1967), Kaybitsy (1940-1967), Arsk (1940 -1980), Agryz (1955-1967) e a estação meteorológica da Universidade Estadual de Kazan (1940-1980). Os dados são fornecidos com amostragem de dez dias. O número de dias com trovoadas por década foi tomado como índice de atividade de trovoadas. Bem como dados mensais sobre atividade solar - números Wolf para 1940-1980.
Com base nos dados dos anos indicados, foram calculadas as principais características estatísticas dos índices de atividade trovoada.
2.2 Características estatísticas básicas

A meteorologia lida com uma enorme quantidade de observações que precisam ser analisadas para esclarecer os padrões que existem nos processos atmosféricos. Portanto, métodos estatísticos para analisar grandes conjuntos de observações são amplamente utilizados em meteorologia. O uso de métodos estatísticos modernos e poderosos ajuda a apresentar os fatos com mais clareza e a descobrir melhor as relações entre eles.
O valor médio da série temporal é calculado usando a fórmula
? = ?Gi/N
onde 1< i A variância mostra a dispersão dos dados em relação ao valor médio e é encontrada pela fórmula
?І = ?(Gi - ?)2 / N, onde 1< i Uma quantidade chamada desvio padrão é a raiz quadrada da variância.
? = ?(Gi - ?)2 / N, onde 1< i O valor mais provável de uma variável aleatória, a moda, é cada vez mais utilizado em meteorologia.
Além disso, assimetria e curtose são usadas para caracterizar quantidades meteorológicas.
Se o valor médio for maior que a moda, então a distribuição de frequência é considerada positivamente assimétrica. Se a média for menor que a moda, então é negativamente assimétrico. O coeficiente de assimetria é calculado usando a fórmula
A = ?(Gi - ?)3 / N?3, onde 1< i A assimetria é considerada pequena se o coeficiente de assimetria |A|?0,25. A assimetria é moderada se 0,25<|А|>0,5. A assimetria é grande se 0,5<|А|>1.5. Assimetria excepcionalmente grande se |A|>1,5. Se |A|>0, então a distribuição tem assimetria à direita, se |A|<0, то левостороннюю асиметрию.
Para distribuições de frequência que possuem os mesmos valores médios, as assimetrias podem diferir no valor da curtose
E = ?(Gi - ?)? /N?? , onde 1< i A curtose é considerada pequena se |E|?0,5; moderado se 1?|E|?3 e grande se |E|>3. Se -0,5?E?3, então a curtose se aproxima do normal.
O coeficiente de correlação é um valor que mostra a relação entre duas séries correlacionadas.
A fórmula do coeficiente de correlação é a seguinte:
R = ?((Xi-X)*(Yi-Y))/ ?x?y
onde X e Y são valores médios, ?x e ?y são desvios padrão.
Propriedades do coeficiente de correlação:
1. O coeficiente de correlação das variáveis ​​independentes é zero.
2. O coeficiente de correlação não muda com a adição de quaisquer termos constantes (não aleatórios) a xey, e também não muda com a multiplicação dos valores de xey por números positivos (constantes).
3. O coeficiente de correlação não muda ao passar de xey para valores normalizados.
4. Faixa de alteração de -1 a 1.
É necessário verificar a confiabilidade da conexão, é necessário avaliar a significância da diferença entre o coeficiente de correlação e zero.
Se para R empírico o produto ¦R¦vN-1 for maior que um determinado valor crítico, então com a confiabilidade S podemos afirmar que o coeficiente de correlação será confiável (confiavelmente diferente de zero).
A análise de correlação permite estabelecer a significância (não aleatoriedade) das mudanças em uma variável aleatória observada e medida durante o teste e permite determinar a forma e a direção das conexões existentes entre as características. Mas nem o coeficiente de correlação nem o índice de correlação fornecem informações sobre o quanto uma característica variável e efetiva pode mudar quando a característica fatorial associada a ela muda.
Uma função que permite encontrar os valores esperados de outra característica com base no valor de uma característica na presença de uma correlação é chamada de regressão. A análise estatística de regressão é chamada de análise de regressão. Este é um nível superior de análise estatística de fenômenos de massa. A análise de regressão permite prever Y com base em X:
Yx-Y=(Rxy* ?y*(X-X))/ ?x (2.1)
Xy-X=(Rxy* ?x*(YY))/ ?y (2.2)
onde X e Y correspondem à média, Xy e Yx são médias parciais, Rxy é o coeficiente de correlação.
As equações (2.1) e (2.2) podem ser escritas como:
Yx=a+por*X (2.3)
Xy=a+bx*Y (2.4)
Uma característica importante das equações de regressão linear é o erro quadrático médio. Se parece com isso:
para equação (2.3) Sy= ?y*v1-RIxy (2.5)
para equação (2.4) Sx= ?x*v1-RIxy (2.6)
Os erros de regressão Sx e Sy permitem determinar a zona provável (de confiança) de regressão linear, dentro da qual se localiza a verdadeira linha de regressão Yx (ou Xy), ou seja, linha de regressão populacional.
Capítulo 3. Análise de cálculos
3.1 Distribuição das principais características estatísticas

Consideremos algumas características estatísticas do número de dias com trovoadas em Predkamye em sete estações (Tabelas 1-7). Devido ao número muito pequeno de dias com trovoadas no inverno, este trabalho considerará o período de abril a setembro.
Estação Tetyushi:
Em abril, o valor médio máximo de dez dias é observado no 3º decêndio do mês? = 0,20. Os valores modais em todas as décadas são zero, portanto, fraca atividade de trovoadas. A dispersão máxima e o desvio padrão também são observados na 3ª década? 2 =0,31; ? =0,56. A assimetria é caracterizada por um valor excepcionalmente grande na segunda década de A = 4,35. Também na 2ª década há um grande valor de curtose E = 17,79.
Em maio, devido ao aumento do fluxo de calor, a atividade das trovoadas aumenta. O valor médio máximo de dez dias foi observado na 3ª década e foi de? =1,61. Os valores modais em todas as décadas são zero. Os valores máximos de dispersão e desvio padrão são observados na 3ª década? 2 =2,59; ?=1,61. Os valores de assimetria e curtose diminuem da primeira década para a terceira (na primeira década A = 1,23; E = 0,62; na terceira década A = 0,53; E = -0,95).
Em junho, o máximo do valor médio decenal ocorre no terceiro decenário? = 2,07. Observa-se aumento dos valores de dispersão e desvio padrão em relação a abril e maio: máximo na segunda década (? 2 = 23,37; ? = 1,84), mínimo na primeira (? 2 = 1,77; ? = 1,33) . Os valores modais nas duas primeiras décadas são iguais a zero, na terceira década foi M=2. A assimetria em todas as décadas é grande e positiva, na terceira década. A curtose nas duas primeiras décadas é caracterizada por valores pequenos; na terceira década seu valor aumentou E = 0,67.
O maior valor médio de dez dias em julho? =2,05 na segunda década. Os valores modais nas duas primeiras décadas são 1 e 2, respectivamente, na terceira - zero. Os valores máximos de dispersão e desvio padrão são observados na segunda década e equivalem a? 2=3,15 e?=1,77, respectivamente, mínimo nos primeiros dez dias? 2=1,93 e?=1,39 respectivamente. A assimetria é caracterizada por valores grandes e positivos: máximo na primeira década A = 0,95, mínimo na segunda década A = 0,66. A curtose na segunda e terceira décadas é pequena e tem valor negativo na segunda década; na primeira década há um máximo de E = 1,28, um mínimo na segunda década de E = -0,21.
Em agosto, a atividade de trovoadas diminui. O maior valor médio de dez dias é observado nos primeiros dez dias? =1,78, o menor está no terceiro? =0,78. Os valores modais na primeira e terceira décadas são iguais a zero, na segunda - um. Há diminuição nos valores de dispersão e desvio padrão: máximo na primeira década (? 2 = 3,33; ? = 1,82), mínimo na terceira (? 2 = 1,23; ? = 1,11). Observa-se um ligeiro aumento nos valores de assimetria e curtose da primeira década para a terceira: máximos na terceira década A = 1,62, E = 2,14, mínimos na segunda década A = 0,40, E = -0,82.
Em setembro, o valor médio máximo de dez dias foi? =0,63 nos primeiros dez dias do mês. Os valores modais são zero. Há uma diminuição nos valores de dispersão e desvio padrão da primeira década para a terceira (? 2 =0,84; ? =0,92 - na primeira década e ? 2 =0,11;? =0,33 - na terceira).
Resumindo o exposto, concluímos que os valores de características estatísticas como modo, dispersão e desvio padrão aumentam junto com o aumento da atividade das trovoadas: os valores máximos são observados no final de junho - início de julho (Fig. 1).
Figura 1
A assimetria e a curtose, pelo contrário, assumem os maiores valores durante a atividade mínima de trovoadas (abril, setembro); durante o período de atividade máxima de trovoadas, a assimetria e a curtose são caracterizadas por valores grandes, mas menores em comparação com abril e setembro ( Figura 2).
Figura 2
A atividade máxima de trovoadas foi observada no final de junho - início de julho (Fig. 3).
Figura 3
Vamos analisar as demais estações com base em gráficos construídos a partir de valores estatísticos calculados nessas estações.
Estação Laishevo:
A figura mostra o número médio de dez dias com trovoadas. O gráfico mostra que existem duas atividades máximas de trovoadas, ocorrendo no final de junho e no final de julho, iguais a ?=2,71 e ?=2,52, respetivamente. Nota-se também um aumento e uma diminuição abruptos, o que indica uma forte variabilidade das condições meteorológicas nesta área (Fig. 4).
Figura 4
A moda, a dispersão e o desvio padrão são maiores durante o período do final de junho ao final de julho, que corresponde ao período de maior atividade de trovoadas. A dispersão máxima foi observada nos terceiros dez dias de julho e foi de? 2= ​​4,39 (Fig. 5).
Figura 5
A assimetria e a curtose atingem seus maiores valores nos segundos dez dias de abril (A = 5,57; E = 31), ou seja, durante atividade mínima de tempestade. E durante o período de atividade máxima das trovoadas, são caracterizados por valores baixos (A = 0,13; E = -1,42) (Fig. 6).
Figura 6
Estação de suporte Kzan:
Nesta estação há um aumento e uma diminuição suaves na atividade de trovoadas. O máximo dura do final de junho a meados de agosto, com valor absoluto de ? = 2,61 (Fig. 7).
Figura 7
Os valores modais são bastante pronunciados em comparação com as estações anteriores. Dois máximos principais de M=3 são observados nos terceiros dez dias de junho e nos segundos dez dias de julho. Ao mesmo tempo, a dispersão e o desvio padrão atingem seus máximos (? 2 = 3,51; ? = 1,87) (Fig. 8).
Figura 8
Máxima assimetria e curtose são observadas nos segundos dez dias de abril (A=3,33; E=12,58) e nos terceiros dez dias de setembro (A=4,08; E=17,87). O mínimo foi observado nos terceiros dez dias de julho (A=0,005; E=-1,47) (Fig.9).
Figura 9
Estação Kaybitsy:
O valor médio máximo nos segundos dez dias de junho? = 2,79. Observa-se um aumento abrupto e uma diminuição suave na atividade das trovoadas (Fig. 10).
Arroz. 10
O valor modal assume seu valor máximo nos segundos dez dias de junho M=4. Ao mesmo tempo, a dispersão e o desvio padrão também são máximos (? 2 = 4,99; ? = 2,23) (Fig. 11).
Figura 11
A assimetria e a curtose são caracterizadas por valores excepcionalmente elevados nos segundos dez dias de abril (A=4,87; E=24,42) e nos terceiros dez dias de setembro (A=5,29; E=28,00). O mínimo foi observado nos primeiros dez dias de junho (A = 0,52; E = -1,16) (Fig. 12).
Figura 12
Estação Arsk:
Nesta estação são observadas duas atividades máximas de trovoadas, ocorrendo nos segundos dez dias de junho e nos terceiros dez dias de julho? = 2,02 (Fig. 13).
Figura 13
A dispersão máxima e o desvio padrão ocorrem nos segundos dez dias de junho, o que coincide com o máximo do valor médio da atividade trovoada (? 2 = 3,97; ? = 1,99). O segundo máximo de atividade trovoada (terceiros dez dias de julho) também é acompanhado por grandes valores de dispersão e desvio padrão (γ2 = 3,47; δ = 1,86) (Fig. 14).
Figura 14
Observam-se valores excepcionalmente elevados de assimetria e curtose nos primeiros dez dias de abril (A=6,40; E=41,00). Em setembro, estes valores também se caracterizam por valores elevados (A = 3,79; E = 13,59 nos terceiros dez dias de setembro). O mínimo ocorre nos segundos dez dias de julho (A = 0,46; E = -0,99) (Fig. 15).
Figura 15
Estação Agryz:
Devido ao pequeno tamanho da amostra nesta estação, só podemos julgar a atividade dos raios condicionalmente.
É observada uma mudança abrupta na atividade das tempestades. O máximo é atingido nos terceiros dez dias de julho? = 2,92 (Fig. 16).
Figura 16
O significado modal está bem expresso. Três máximos de M=2 são observados nos terceiros dez dias de maio, nos terceiros dez dias de junho e nos segundos dez dias de julho. A dispersão e o desvio padrão têm, cada um, dois máximos principais, ocorrendo nos segundos dez dias de junho e nos terceiros dez dias de julho e iguais? 2 =5,08; ? =2,25 e? 2 =4,91; ?=2,22, respectivamente (Fig. 17).
Figura 17
Há valores excepcionalmente grandes de assimetria e curtose em todos os dez dias de abril (A=3,61; E=13,00). Dois mínimos principais: nos segundos dez dias de maio (A=0,42; E=-1,46) e nos primeiros dez dias de julho (A=0,50; E=-1,16) (Fig. 18).
Figura 18
Estação KGU:
O máximo do valor médio ocorre nos segundos dez dias de junho e é ?=1,90. Pode-se também notar um aumento e uma diminuição suaves na atividade das trovoadas (Fig. 19).
Figura 19
A moda atinge seus valores máximos nos segundos dez dias de junho (M=2) e nos primeiros dez dias de julho (M=2). A dispersão e o desvio padrão assumem seus maiores valores nos terceiros dez dias de julho (? 2 = 2,75; ? = 1,66) (Fig. 20).
Figura 20
Nos meses de abril e setembro, a assimetria e a curtose caracterizam-se por valores excepcionalmente elevados: nos primeiros dez dias de abril - A = 6,40; E=41,00, nos terceiros dez dias de setembro - A=4,35; E=17,79. O mínimo de assimetria e curtose ocorre nos segundos dez dias de julho (A = 0,61; E = -0,48) (Fig. 21).
Figura 21
3.2 Análise de tendências

O componente não aleatório e de mudança lenta de uma série temporal é chamado de tendência.
Como resultado do processamento dos dados, foram obtidas equações de tendência em sete estações para dados mensais (Tabelas 8-14). Os cálculos foram realizados durante três meses: maio, julho e setembro.
Na estação Tetyushi, durante um longo período de tempo, foi observado um aumento na atividade de trovoadas nos meses de primavera e outono e uma diminuição em julho.
Na estação Em Laishevo, em maio, durante um período de longo prazo, há um aumento na atividade de trovoadas (b = 0,0093), e em julho e setembro diminui.
Nas estações Kazan-Opornaya, Kaybitsy e Arsk, o coeficiente b é positivo nos três meses, o que corresponde a um aumento nas trovoadas.
Na estação Agryz, devido ao pequeno tamanho da amostra, é difícil falar sobre a natureza das mudanças na intensidade da atividade das trovoadas, mas pode-se notar que em maio e julho há uma diminuição, e em setembro há um aumento nas trovoadas atividade.
Na estação da Universidade Estadual de Kazan, em maio e julho, o coeficiente b é positivo e em setembro tem sinal negativo.
O coeficiente b é máximo em julho na estação. Kaybitsy (b=0,0577), mínimo - em julho na estação. Laishevo.
3.3 Análise da dependência da regressão do número de dias com trovoadas em relação aos números Wolf

Os cálculos foram realizados para o mês central do verão – Julho (Tabela 15), assim, a amostra foi N = 40 Julhos de 1940 a 1980.
Feitos os cálculos apropriados, obtivemos os seguintes resultados:
A probabilidade de confiança do coeficiente a em todas as estações é praticamente zero. A probabilidade de confiança para o coeficiente b na maioria das estações também difere pouco de zero e está na faixa de 0,23–b–1,00.
O coeficiente de correlação em todas as estações, com exceção da estação. Agryz é negativo e não ultrapassa o valor de r=0,5, o coeficiente de determinação nestas estações não ultrapassa o valor de r 2 =20,00.
Na estação O coeficiente de correlação Agryz é positivo e o maior r = 0,51, probabilidade de confiança r 2 = 25,90.
Conclusão

Como resultado, sobre, etc..................

Como se forma uma nuvem de tempestade?

O que você sabe sobre uma nuvem de tempestade?

Em média, acredita-se que uma nuvem de tempestade tenha diâmetro de 20 km e vida útil de 30 minutos. A qualquer momento, segundo várias estimativas, existem de 1.800 a 2.000 nuvens de trovoada no globo. Isso corresponde a 100.000 tempestades no planeta todos os anos. Cerca de 10% deles tornam-se extremamente perigosos.

Em geral, a atmosfera deveria ser instável - as massas de ar próximas à superfície da Terra deveriam ser mais leves que o ar localizado nas camadas superiores. Isso é possível quando a superfície subjacente e a massa de ar dela aquecem, bem como a presença de alta umidade do ar, que é a mais comum. Talvez devido a algumas razões dinâmicas, a entrada de massas de ar mais frias nas camadas sobrejacentes. Como resultado, na atmosfera, volumes de ar mais quente e úmido, ganhando flutuabilidade, sobem e as partículas mais frias das camadas superiores afundam. Desta forma, o calor que a superfície terrestre recebe do sol é transportado para as camadas superiores da atmosfera. Essa convecção é chamada de livre. Nas zonas de frentes atmosféricas, nas montanhas, é intensificado pelo mecanismo forçado de subida das massas de ar.

O vapor d'água contido no ar ascendente esfria e condensa, formando nuvens e liberando calor. As nuvens crescem para cima, atingindo altitudes onde são observadas temperaturas negativas. Algumas partículas de nuvens congelam, enquanto outras permanecem líquidas. Ambos têm carga elétrica. As partículas de gelo geralmente têm carga positiva, enquanto as partículas líquidas geralmente têm carga negativa. As partículas continuam a crescer e começam a se estabelecer no campo gravitacional - forma-se a precipitação. As cobranças espaciais se acumulam. Uma carga positiva é formada no topo da nuvem e uma carga negativa na parte inferior (na verdade, nota-se uma estrutura mais complexa, pode haver 4 cargas espaciais, às vezes pode ser inversa, etc.). Quando a intensidade do campo elétrico atinge um valor crítico, ocorre uma descarga - vemos um relâmpago e, depois de algum tempo, ouvimos uma onda sonora ou trovão emanando dele.

Normalmente, uma nuvem de tempestade passa por três estágios durante seu ciclo de vida: formação, desenvolvimento máximo e dissipação.

No primeiro estágio, as nuvens cúmulos crescem para cima devido aos movimentos ascendentes do ar. As nuvens cumulus aparecem como lindas torres brancas. Nesta fase não há precipitação, mas a ocorrência de relâmpagos não está descartada. Isso pode levar cerca de 10 minutos.

No estágio de desenvolvimento máximo, os movimentos ascendentes da nuvem ainda continuam, mas ao mesmo tempo, a precipitação já começa a cair da nuvem e aparecem fortes movimentos descendentes. E quando esse fluxo descendente de precipitação resfriado atinge o solo, uma frente de rajada, ou linha de instabilidade, é formada. O estágio de desenvolvimento máximo das nuvens é o momento de maior probabilidade de chuvas fortes, granizo, relâmpagos frequentes, rajadas e tornados. A nuvem geralmente é de cor escura. Essa etapa dura de 10 a 20 minutos, mas pode ser mais longa.

Eventualmente, a precipitação e as correntes descendentes começam a corroer a nuvem. Na superfície da Terra, a linha de rajadas se afasta da nuvem, isolando-a da fonte de alimentação de ar quente e úmido. A intensidade da chuva está diminuindo, mas os raios ainda são um perigo.

Devido à sua total imprevisibilidade e enorme poder raio(descargas atmosféricas), representam um perigo potencial para inúmeras instalações energéticas. A ciência moderna acumulou uma grande quantidade de informações teóricas e dados práticos sobre proteção contra raios e trovoadas, o que permite resolver graves problemas associados à protecção contra raios de infra-estruturas energéticas industriais e civis. Este artigo discute o físico natureza dos fenômenos de tempestade e o comportamento dos raios, cujo conhecimento será útil para organizar uma proteção eficaz contra raios e criar um sistema integrado de aterramento para subestações elétricas.

Natureza dos relâmpagos e nuvens de trovoada

Na estação quente em latitudes médias, durante o movimento de um ciclone, com umidade suficiente e fortes correntes de ar ascendentes, ocorrem frequentemente descargas de trovoadas (raios). A razão desse fenômeno natural é a enorme concentração de eletricidade atmosférica (partículas carregadas) nas nuvens de trovoada, nas quais, na presença de correntes ascendentes, ocorre a separação das cargas negativas e positivas com o acúmulo de partículas carregadas em diferentes partes da nuvem. Hoje, existem várias teorias sobre a eletricidade atmosférica e a eletrificação das nuvens de trovoada, como os fatores mais importantes que têm impacto direto no projeto e na criação de proteção abrangente contra raios e aterramento de instalações de energia.

Segundo conceitos modernos, a formação de partículas carregadas nas nuvens está associada à presença de um campo elétrico próximo à Terra com carga negativa. Perto da superfície do planeta, a intensidade do campo elétrico é de 100 V/m. Este valor é o mesmo em quase todos os lugares e não depende da hora e local das medições. O campo elétrico da Terra é causado pela presença de partículas carregadas livres no ar atmosférico, que estão em constante movimento.

Por exemplo, em 1 cm3 de ar existem mais de 600 partículas com carga positiva e o mesmo número de partículas com carga negativa. À medida que você se afasta da superfície da Terra, a densidade das partículas carregadas no ar aumenta acentuadamente. Perto do solo, a condutividade elétrica do ar é insignificante, mas já em altitudes superiores a 80 km, a condutividade elétrica aumenta 3.000.000.000 (!) de vezes e torna-se igual à condutividade da água doce. Se fizermos analogias, então, numa primeira aproximação, nosso planeta pode ser comparado a um enorme capacitor em forma de bola.

Neste caso, a superfície da Terra e a camada de ar concentrada a uma altitude de oitenta quilômetros acima da superfície terrestre são tomadas como coberturas. Uma parte da atmosfera com 80 km de espessura, que apresenta baixa condutividade elétrica, atua como isolante. Entre as placas de um capacitor virtual surge uma tensão de até 200 kV, e a corrente pode chegar a 1.400 A. Esse capacitor tem uma potência incrível - cerca de 300.000 kW (!). No campo elétrico do planeta, a uma altitude entre 1 e 8 quilômetros da superfície terrestre, condensam-se partículas carregadas e ocorrem fenômenos de trovoadas, que pioram o ambiente eletromagnético e são fonte de ruído de impulso nos sistemas energéticos.

Os fenômenos de trovoada são classificados em trovoadas frontais e térmicas. Na Fig. A Figura 1 mostra um diagrama do aparecimento de uma tempestade térmica. Como resultado da intensa irradiação dos raios solares, a superfície terrestre aquece. Parte da energia térmica passa para a atmosfera e aquece suas camadas inferiores. As massas de ar quente se expandem e sobem mais alto. Já a dois quilômetros de altitude atingem uma área de baixas temperaturas, onde a umidade se condensa e aparecem nuvens de trovoada. Essas nuvens são compostas de gotas microscópicas de água que carregam uma carga. Via de regra, as nuvens de trovoada se formam nos dias quentes de verão à tarde e são relativamente pequenas.

As tempestades frontais são formadas quando dois fluxos de ar com temperaturas diferentes colidem frontalmente. O fluxo de ar com baixa temperatura desce, mais próximo do solo, e as massas de ar quente sobem (Fig. 2). As nuvens de tempestade se formam em altitudes com baixas temperaturas, onde o ar úmido se condensa. As tempestades frontais podem ser bastante longas e cobrir uma área significativa.

Ao mesmo tempo, o ambiente eletromagnético de fundo é visivelmente distorcido, causando ruído de impulso nas redes elétricas. Essas frentes se movem a velocidades de 5 a 150 km/h e superiores. Ao contrário das trovoadas térmicas, as trovoadas frontais atuam quase 24 horas por dia e representam um grave perigo para as instalações industriais que não estão equipadas com sistema de proteção contra raios e aterramento eficaz. Quando o ar frio se condensa em um campo elétrico, formam-se gotas de água polarizadas (Fig. 3): há uma carga positiva na parte inferior das gotas e uma carga negativa na parte superior.

Devido ao aumento das correntes de ar, as gotas de água são separadas: as menores sobem e as maiores descem. À medida que a gota se move para cima, a parte carregada negativamente da gota atrai cargas positivas e repele as negativas. Como resultado, a gota fica carregada positivamente porque gradualmente coleta uma carga positiva. Gotas que caem atraem cargas negativas e ficam carregadas negativamente à medida que caem.

A divisão das partículas carregadas em uma nuvem de tempestade ocorre de maneira semelhante: as partículas carregadas positivamente se acumulam na camada superior e as carregadas negativamente se acumulam na camada inferior. Uma nuvem de tempestade praticamente não é condutora e por isso as cargas ficam retidas por algum tempo. Se um campo elétrico mais forte da nuvem afetar o campo elétrico de “tempo claro”, ela mudará sua direção em sua localização (Fig. 4).

A distribuição de partículas carregadas na massa da nuvem é extremamente desigual:
em alguns pontos a densidade tem valor máximo e em outros tem valor pequeno. No local onde se acumula um grande número de cargas e se forma um forte campo elétrico com intensidade crítica da ordem de 25-30 kV/cm, surgem condições adequadas para a formação de raios. Uma descarga atmosférica é semelhante a uma faísca observada no espaço entre os eletrodos que são bons condutores de eletricidade.

Ionização do ar atmosférico

O ar atmosférico consiste em uma mistura de gases: nitrogênio, oxigênio, gases inertes e vapor d’água. Os átomos desses gases se combinam em ligações fortes e estáveis, formando moléculas. Cada átomo é um núcleo de prótons com carga positiva. Elétrons com carga negativa (“nuvem de elétrons”) giram em torno do núcleo.

Em termos quantitativos, a carga do núcleo e a carga total dos elétrons são iguais entre si. Durante a ionização, os elétrons deixam um átomo (molécula). Durante o processo de ionização atmosférica, formam-se 2 partículas carregadas: um íon positivo (núcleo com elétrons) e um íon negativo (elétron livre). Como muitos fenômenos físicos, a ionização requer uma certa quantidade de energia, chamada energia de ionização do ar.

Quando surge tensão suficiente na camada de ar formada por 2 eletrodos condutores, todas as partículas carregadas livres, sob a influência da intensidade do campo elétrico, começarão a se mover de maneira ordenada. A massa de um elétron é muitas vezes (10.000...100.000 vezes) menor que a massa do núcleo. Como resultado, quando um elétron livre se move no campo elétrico da camada de ar, a velocidade dessa partícula carregada é muito maior que a velocidade do núcleo. Possuindo um momento significativo, o elétron remove facilmente novos elétrons das moléculas, tornando a ionização mais intensa. Este fenômeno é denominado ionização por impacto (Fig. 5).

No entanto, nem toda colisão resulta na remoção de um elétron da molécula. Em alguns casos, os elétrons movem-se para órbitas instáveis, longe do núcleo. Esses elétrons recebem parte da energia do elétron em colisão, o que leva à excitação da molécula (Fig. 6.).

O período de “vida” de uma molécula excitada é de apenas 10 a 10 segundos, após os quais o elétron retorna à sua órbita anterior, mais energeticamente estável.

Quando o elétron retorna a uma órbita estável, a molécula excitada emite um fóton. O fóton, por sua vez, sob certas condições pode ionizar outras moléculas. Este processo foi denominado fotoionização (Fig. 7). Existem também outras fontes de fotoionização: raios cósmicos de alta energia, ondas de luz ultravioleta, radiação radioativa, etc. (Fig. 8).

Via de regra, a ionização das moléculas de ar ocorre em altas temperaturas. À medida que a temperatura aumenta, as moléculas de ar e os elétrons livres que participam do movimento térmico (caótico) adquirem maior energia e colidem uns com os outros com mais frequência. O resultado de tais colisões é a ionização do ar, chamada ionização térmica. No entanto, processos inversos também podem ocorrer quando partículas carregadas neutralizam as suas próprias cargas (recombinação). Durante o processo de recombinação, é observada intensa emissão de fótons.

Formação de serpentinas e descarga corona

Quando a intensidade do campo elétrico no entreferro entre as placas carregadas aumenta para valores críticos, pode ocorrer ionização por impacto, que é uma causa comum de interferência pulsada de alta frequência. Sua essência é a seguinte: após a ionização de uma molécula por um elétron, aparecem dois elétrons livres e um íon positivo. As colisões subsequentes levam ao aparecimento de 4 elétrons livres e 3 íons com carga positiva.

Assim, a ionização assume um caráter de avalanche, que é acompanhada pela formação de um grande número de elétrons livres e íons positivos (Fig. 9 e 10). Os íons positivos se acumulam perto do eletrodo negativo e os elétrons carregados negativamente se movem em direção ao eletrodo positivo.

Durante o processo de ionização, os elétrons livres adquirem maior mobilidade em comparação aos íons, de modo que estes últimos podem ser condicionalmente considerados partículas imóveis. Quando os elétrons se movem para o eletrodo positivo, as cargas positivas restantes têm uma forte influência no estado do campo elétrico, levando assim a um aumento na sua força. Um grande número de fótons acelera a ionização do ar próximo ao ânodo e contribui para a formação de elétrons secundários (Fig. 11), que são fontes de repetidas avalanches (Fig. 12).

As avalanches secundárias resultantes movem-se em direção ao ânodo, onde a carga positiva está concentrada. Os elétrons livres rompem a carga espacial positiva, levando à formação de um canal bastante estreito (streamer) no qual o plasma está localizado. Devido à sua excelente condutividade, o streamer “estende” o ânodo, enquanto o processo de formação de avalanches de elétrons livres se acelera e ocorre um novo aumento na intensidade do campo elétrico (Fig. 13 e 14), movendo-se em direção à cabeça do streamer. . Os elétrons adicionais se misturam com os íons positivos, novamente levando à formação de plasma, que alonga o canal do streamer.

Arroz. 13. Um aumento na intensidade do campo elétrico é acompanhado por um aumento na fotoionização e gera novas avalanches de partículas carregadas

Depois que o streamer preenche a lacuna livre, começa o estágio de faísca da descarga (Fig. 15), caracterizado pela ionização térmica superpoderosa do espaço e pela ultracondutividade do canal de plasma.

O processo de formação de serpentinas descrito é válido para pequenas lacunas caracterizadas por um campo elétrico uniforme. Porém, de acordo com sua forma, todos os campos elétricos são divididos em homogêneos, ligeiramente heterogêneos e fortemente heterogêneos:

• Dentro de um campo elétrico uniforme, a intensidade ao longo das linhas do campo é caracterizada por um valor constante. Como por exemplo, o campo elétrico na parte central de um tipo de capacitor de placas paralelas.
• Em um campo fracamente heterogêneo, os valores de força medidos ao longo das linhas de campo diferem não mais que 2...3 vezes; tal campo é considerado fracamente heterogêneo. Por exemplo, o campo elétrico entre 2 centelhadores esféricos ou o campo elétrico que surge entre o invólucro de um cabo blindado e seu núcleo.
• Um campo elétrico é denominado altamente heterogêneo se for caracterizado por saltos significativos de intensidade, o que leva a uma grave deterioração do ambiente eletromagnético. Nas instalações elétricas industriais, via de regra, os campos elétricos apresentam formato altamente não uniforme, o que exige a verificação da compatibilidade eletromagnética dos dispositivos.

Em um campo altamente heterogêneo, os processos de ionização são coletados próximos ao eletrodo positivo ou negativo. Portanto, a descarga não pode atingir o estágio de faísca e, neste caso, a carga é formada em forma de coroa (“descarga corona”). Com um aumento adicional na intensidade do campo elétrico, flâmulas são formadas no entreferro e ocorre uma descarga de faísca. Portanto, se o comprimento da lacuna for de um metro, então a descarga da faísca ocorre com uma intensidade de campo de cerca de 10 kV/cm.

Forma líder de descarga atmosférica

Com um entreferro de vários metros de tamanho, as serpentinas emergentes não têm condutividade suficiente para desenvolver uma descarga completa. À medida que a serpentina se move, forma-se uma descarga elétrica, que assume a forma de um líder. Parte do canal, chamada líder, é preenchida com partículas termicamente ionizadas. Uma quantidade significativa de partículas carregadas está concentrada no canal líder, cuja densidade é muito superior à média do streamer. Esta propriedade proporciona boas condições para a formação de um streamer e sua transformação em líder.

Arroz. 16. O processo de movimentação da serpentina e o surgimento de um líder negativo (AB – avalanche inicial; CD – serpentina formada).

Na Fig. A Figura 16 demonstra o esquema clássico para o surgimento de um líder negativo. Um fluxo de elétrons livres se move do cátodo para o ânodo. Os cones sombreados mostram as avalanches de elétrons resultantes, e as trajetórias dos fótons emitidos são mostradas na forma de linhas onduladas. Em cada avalanche, quando os elétrons colidem, o ar é ionizado e os fótons resultantes ionizam subsequentemente outras moléculas de ar. A ionização assume um caráter de massa e numerosas avalanches se fundem em um canal. A velocidade dos fótons é 3*108 m/s, e a velocidade dos elétrons que se movem livremente na parte frontal da avalanche é 1,5*105 m/s.

O desenvolvimento de um streamer ocorre mais rápido do que o avanço de uma avalanche de elétrons. Na Fig. A Figura 16 mostra que durante o tempo em que a primeira avalanche percorre a distância AB, um canal streamer com ultracondutividade ao longo de todo o seu comprimento é formado no segmento CD. Um streamer padrão se move a uma velocidade média de 106-107 m/s. Se os elétrons livres tiverem uma concentração suficientemente alta, ocorre intensa ionização térmica no canal streamer, o que leva ao aparecimento de um líder - uma estrutura linear com um componente de plasma.

À medida que o líder se move, novas flâmulas são formadas em sua parte final, que mais tarde também se torna o líder. Na Fig. A Figura 17 mostra o desenvolvimento de um líder negativo em um entreferro com campo elétrico não uniforme: o líder se move ao longo do canal da serpentina (Fig. 17a); após a conclusão da transformação do canal do streamer em líder, surgem novas avalanches.

Arroz. 17. Esquema de formação e desenvolvimento de um líder negativo por um longo período.

Avalanches de elétrons se movem através do entreferro (Fig. 17b) e uma nova serpentina é formada (Fig. 17c). Como regra, os streamers se movem ao longo de trajetórias aleatórias. Com essa formação de descarga atmosférica em longos entreferros, mesmo em baixas intensidades de campo elétrico (de 1.000 a 2.000 V/cm), o líder percorre rapidamente distâncias significativas.

Quando o líder atinge o eletrodo oposto, o estágio líder da descarga atmosférica termina e o estágio da descarga reversa (principal) começa. Neste caso, uma onda eletromagnética se propaga da superfície da Terra ao longo do canal do líder, devido ao qual o potencial do líder é reduzido a zero. Assim, forma-se um canal supercondutor entre os eletrodos, por onde passa uma descarga atmosférica.

Estágios de desenvolvimento de uma descarga atmosférica

As condições para a ocorrência de raios são formadas naquela parte da nuvem de trovoada onde o acúmulo de partículas carregadas e a intensidade do campo elétrico atingiram valores limites. Nesse ponto, desenvolve-se a ionização por impacto e formam-se avalanches de elétrons, então, sob a influência da ionização foto e térmica, surgem serpentinas, transformando-se em líderes.

a – exibição visual; b – característica atual.

O comprimento do raio varia de centenas de metros e pode atingir vários quilômetros (o comprimento médio de uma descarga atmosférica é de 5 km). Graças ao desenvolvimento do tipo líder, o raio é capaz de percorrer distâncias significativas em uma fração de segundo. O olho humano vê o relâmpago como uma linha contínua que consiste em uma ou mais faixas brilhantes de cor branca, rosa claro ou azul brilhante. Na verdade, uma descarga atmosférica consiste em vários impulsos, incluindo dois estágios: um estágio de descarga líder e um estágio de descarga reversa.

Na Fig. A Figura 18 mostra uma varredura temporal dos pulsos de relâmpago, que mostra a descarga do estágio líder do primeiro pulso se desenvolvendo na forma de etapas. Em média, a linha do estágio é de cinquenta metros e o atraso entre os estágios adjacentes chega a 30-90 μs. A velocidade média de propagação do líder é de 105...106 m/s.

A forma gradual de desenvolvimento de líderes é explicada pelo fato de que leva algum tempo para formar um streamer líder (uma pausa entre as etapas). Os pulsos subsequentes se movem ao longo do canal ionizado e possuem um estágio líder claramente em forma de seta. Depois que o líder atinge o primeiro pulso da superfície terrestre, aparece um canal ionizado através do qual a carga se move. Neste momento inicia-se a 2ª etapa da descarga atmosférica (descarga reversa).

A descarga principal é visível na forma de uma linha contínua e luminosa que perfura o espaço entre as nuvens de trovoada e o solo (relâmpago linear). Depois que a descarga principal atinge a nuvem, o brilho do canal de plasma diminui. Esta fase é chamada de pós-brilho. Em uma descarga atmosférica, são observados até vinte pulsos repetidos, e a duração da descarga em si chega a 1 segundo ou mais.

Em quatro em cada dez casos, são observadas múltiplas descargas atmosféricas, o que provoca ruído de impulso nas redes de energia. Em média, são observados 3...4 impulsos. A natureza dos pulsos repetidos está associada ao influxo gradual de cargas restantes na nuvem de tempestade para o canal de plasma.

Ação seletiva de descarga atmosférica

Quando o canal líder apenas começa a se desenvolver, a intensidade do campo elétrico em sua parte principal é determinada pelo volume da carga do líder e pelos acúmulos de partículas carregadas volumétricas localizadas sob a nuvem de tempestade. A direção prioritária da descarga depende das intensidades máximas do campo elétrico. A uma altitude considerável, esta direção é determinada apenas pelo canal líder (Fig. 19).

Quando o canal líder de uma descarga atmosférica se move em direção à superfície da Terra, seu campo elétrico é distorcido pelo campo da Terra e pelas enormes instalações de energia terrestres. Os valores máximos de intensidade e direção de propagação do pára-raios são determinados tanto por suas próprias cargas quanto por cargas concentradas no solo, bem como em estruturas artificiais (Fig. 20).

A altura H da cabeça do líder acima da superfície terrestre, na qual uma influência significativa no campo elétrico do líder se manifesta pelos campos de cargas acumuladas em quantidades significativas no solo e nas instalações de energia, capazes de alterar a direção do movimento do líder, é chamada de altura de orientação da descarga atmosférica.
Quanto mais cargas elétricas estiverem no canal líder, maior será a altura na qual uma mudança na trajetória do raio pode ocorrer.

A Figura 21 mostra o movimento da descarga principal da superfície terrestre até a nuvem de trovoada e a propagação do líder em direção ao solo (superfície plana).

Quando uma descarga atmosférica se move em direção a uma estrutura de solo elevada (suporte de linha de energia ou torre) em direção à descarga líder que se espalha de uma nuvem de tempestade para a superfície da terra, um contra-líder se desenvolve a partir do suporte de solo (Fig. 22.). Nesse caso, a descarga principal surge no ponto de ligação entre os líderes e se move nas duas direções.

Arroz. 22. Desenvolvimento do estágio líder (superior) e do estágio de descarga principal (inferior) quando uma descarga atmosférica atinge um suporte metálico

O processo de formação do raio mostra que a localização específica da descarga atmosférica é determinada no estágio líder. Se houver uma estrutura de solo alta diretamente sob a nuvem de tempestade (por exemplo, uma torre de televisão ou suporte de linha de energia), então o líder emergente se moverá em direção ao solo ao longo do caminho mais curto, ou seja, em direção ao líder, que se estende para cima da estrutura do solo.

Com base na experiência prática, podemos concluir que na maioria das vezes os raios atingem as instalações de energia que possuem aterramento eficaz e conduzem bem a eletricidade. Na mesma altura, uma descarga atmosférica atinge o objeto que possui melhor aterramento e alta condutividade elétrica. Com diferentes alturas de instalações de energia e se o solo próximo a elas também tiver resistividade diferente, o raio poderá atingir um objeto mais baixo localizado em solo com melhor condutividade (Fig. 23).

Arroz. 23. Suscetibilidade seletiva a descargas atmosféricas: solo com alta condutividade elétrica (a); solo com condutividade reduzida (b).

Esse fato pode ser explicado pelo fato de que durante o desenvolvimento do estágio líder, as correntes de condução fluem por um caminho com maior condutividade, portanto, em determinadas áreas há concentração de cargas relacionadas ao líder. Como resultado, aumenta a influência do campo elétrico das cargas da superfície terrestre no campo elétrico do líder emergente. Isso explica a seletividade dos raios. Via de regra, as áreas de solo e estruturas artificiais acima do solo com alta condutividade são as mais afetadas. Na prática, foi estabelecido que nas linhas de alta tensão os raios não atingem mais de um terço dos suportes localizados em locais estritamente definidos.

A teoria do dano seletivo a objetos terrestres por descargas atmosféricas encontrou confirmação prática no arranjo de proteção contra raios e aterramento de instalações de energia de subestações elétricas. As áreas caracterizadas por baixa condutividade tinham muito menos probabilidade de serem atingidas por raios. Na Fig. A Figura 24 mostra o campo elétrico entre o solo e uma nuvem de trovoada antes da queda de um raio.

Com uma mudança gradual na intensidade do campo elétrico de uma nuvem de tempestade, a condutividade do solo garante um equilíbrio no número de cargas quando o campo elétrico da nuvem muda. Durante uma descarga atmosférica, a intensidade do campo muda tão rapidamente que, devido à baixa condutividade do solo, não há tempo para que ocorra a redistribuição de carga. A concentração de cargas em locais individuais leva a um aumento na intensidade do campo elétrico entre locais característicos e a nuvem de trovoada (Fig. 25), de modo que a descarga atmosférica atinge seletivamente esses locais.

Isso confirma claramente a teoria da seletividade das descargas atmosféricas, segundo a qual, em condições semelhantes, o raio sempre atinge os locais onde há aumento da condutividade elétrica do solo.

Principais parâmetros do relâmpago

Para caracterizar as correntes atmosféricas, são utilizados os seguintes parâmetros:

• Valor máximo do pulso de corrente do raio.
• O grau de inclinação da frente da corrente atmosférica.
• Duração da frente do pulso de corrente.
• Duração total do pulso.

A duração de um pulso de corrente atmosférica é o tempo necessário para que a descarga de retorno percorra a distância entre o solo e uma nuvem de trovoada (20...100 μs). A frente do pulso da corrente do raio está na faixa de 1,5 a 10 μs.

A duração média de um pulso de corrente elétrica é de 50 μs. Este valor é o valor padrão do impulso da corrente do raio ao testar a rigidez dielétrica de cabos blindados: eles devem suportar descargas diretas de raios e manter a integridade do isolamento. Para testar a resistência do isolamento quando exposto a pulsos de tensão de raio (os testes são regulamentados pelo GOST 1516.2-76), é adotado um pulso de corrente de tensão de raio padrão, mostrado na Fig. 26 (para conveniência dos cálculos, a frente real é reduzida a uma oblíqua equivalente).

No eixo vertical da varredura de sobretensão de pulso, em um nível igual a 0,3 Umax e 0,9 Umax, são marcados pontos de controle, conectados por uma linha reta. A intersecção desta reta com o eixo do tempo e com a reta horizontal tangente a Umax permite determinar a duração do pulso Tf. Um impulso de raio padrão tem um valor de 1,2/50: onde Tf=1,2 µs, Ti=50 µs (duração total do pulso).

Outra característica importante de um pulso de raio é a taxa de aumento da corrente de tensão na frente do pulso (inclinação frontal, A*μs). A Tabela 1 mostra os principais parâmetros das descargas atmosféricas em terrenos planos. Nas montanhas, há uma diminuição na amplitude das oscilações das correntes atmosféricas (quase duas vezes) em comparação com os valores das planícies. Isso se explica pelo fato das montanhas estarem mais próximas das nuvens, portanto, nas áreas montanhosas, os relâmpagos ocorrem com uma densidade muito menor de partículas carregadas nas nuvens de trovoada, o que leva a uma diminuição nos valores de amplitude das correntes atmosféricas.

De acordo com a tabela, quando um raio atinge os suportes das linhas de energia de alta tensão, são geradas enormes correntes - mais de 200 kA. No entanto, tais descargas atmosféricas que causam correntes significativas são observadas extremamente raramente: correntes acima de 100 kA ocorrem em não mais que 2% dos casos do número total de descargas atmosféricas, e correntes acima de 150 kA ocorrem em menos de 0,5% dos casos. A distribuição de probabilidade dos valores de amplitude das correntes atmosféricas dependendo dos valores de amplitude das correntes é mostrada na Fig. 27. Cerca de 40% de todas as descargas atmosféricas têm correntes que não excedem 20 kA.

Arroz. 28. Curvas de distribuição de probabilidade (em %) da inclinação da frente de pulso da corrente atmosférica. Curva 1 – para áreas planas; curva 2 – para condições de montanha.

O nível de ruído de impulso e sobretensão que ocorre nas instalações de energia depende da inclinação real da frente da corrente pulsada de uma descarga atmosférica. O grau de inclinação varia em uma ampla faixa e tem uma correlação fraca com os valores de amplitude das correntes atmosféricas. Na Fig. A Figura 28 mostra uma imagem da distribuição de probabilidade do nível de inclinação do pulso de corrente frontal do raio na planície (curva 1) e nas montanhas (curva 2).

Impacto das correntes atmosféricas

Durante a passagem das correntes atmosféricas por diversos objetos, estes estão sujeitos a influências mecânicas, eletromagnéticas e térmicas.
A geração significativa de calor pode destruir condutores metálicos de seção pequena (por exemplo, fusíveis ou fios telegráficos). Para determinar o valor crítico da corrente do raio Im (kA), na qual ocorre a fusão ou mesmo a evaporação do condutor, é utilizada a seguinte fórmula

k – coeficiente específico dependendo do material do condutor (cobre 300...330, alumínio 200...230, aço 115...440).
Q – seção transversal do condutor, mm2;
tm é a duração do pulso de corrente do raio, μs.

A menor seção transversal de um condutor (pára-raios), que garante sua segurança durante uma descarga atmosférica em uma instalação elétrica, é de 28 mm2. Em valores máximos de corrente, um condutor de aço de seção transversal semelhante aquece até centenas de graus em questão de microssegundos, mas mantém sua integridade. Quando expostas a um canal de raios, as peças metálicas podem derreter a uma profundidade de 3-4 mm. As rupturas de fios individuais em cabos de proteção contra raios em linhas de energia geralmente ocorrem devido à queima por descarga atmosférica nos pontos de contato entre o canal do raio e o cabo.

Por esta razão, os pára-raios de aço têm secções transversais grandes: os cabos de protecção contra raios devem ter uma secção transversal de pelo menos 35 mm2 e os pára-raios devem ter uma secção transversal de pelo menos 100 mm2. Quando um canal de raios atinge materiais inflamáveis ​​e inflamáveis ​​(madeira, palha, combustíveis e lubrificantes, combustíveis gasosos, etc.), podem ocorrer explosões e incêndios. O impacto mecânico da corrente atmosférica se manifesta na destruição de estruturas de madeira, tijolo e pedra que carecem de proteção contra raios e aterramento adequado.

O rompimento dos postes de madeira das linhas de energia é explicado pelo fato de que a corrente do raio, percorrendo a estrutura interna da madeira, gera uma liberação abundante de vapor d'água que, com sua pressão, rompe as fibras da madeira. Em tempo chuvoso, a quebra da madeira é menor do que em tempo seco. Como a madeira úmida é caracterizada por melhor condutividade, a corrente do raio passa principalmente ao longo da superfície da madeira, sem causar danos significativos às estruturas de madeira.

Durante uma descarga atmosférica, pedaços de madeira de até três centímetros de espessura e até cinco centímetros de largura são frequentemente arrancados de suportes de madeira e, em alguns casos, o raio divide ao meio os montantes e cruzetas de suportes que não estão equipados com aterramento . Neste caso, os elementos metálicos dos isoladores (parafusos e ganchos) saem do lugar e caem no chão. Um dia, um raio foi tão forte que um enorme choupo com cerca de 30 m de altura se transformou em uma pilha de pequenas lascas.

Passando por fendas estreitas e pequenas aberturas, as descargas atmosféricas produzem destruição significativa. Por exemplo, as correntes atmosféricas deformam facilmente os pára-raios tubulares instalados nas linhas de energia. Mesmo os dielétricos clássicos (pedra e tijolo) estão sujeitos aos efeitos destrutivos de descargas poderosas. As forças de impacto eletrostático que as cargas restantes possuem podem facilmente destruir edifícios de tijolos e pedras com paredes espessas.

Durante a fase da descarga atmosférica principal, próximo ao ponto de sua incidência, ocorrem interferências de impulso e sobretensões nos condutores e estruturas metálicas das instalações de energia, que, passando pelo aterramento dos objetos de energia, criam ruído de impulso de alta frequência e um significativo queda de tensão, atingindo 1.000 kV ou mais. As descargas atmosféricas podem ocorrer não apenas entre nuvens de trovoada e o solo, mas também entre nuvens individuais. Esses raios são totalmente seguros para o pessoal e equipamentos das instalações de energia. Ao mesmo tempo, as descargas atmosféricas que atingem o solo representam um grave perigo para as pessoas e os dispositivos técnicos.

Atividade de tempestade na Federação Russa

Em diferentes partes do nosso país, a intensidade da atividade das trovoadas varia significativamente. As regiões do norte experimentam a atividade de trovoadas mais fraca. À medida que você se move para o sul, há um aumento na atividade de trovoadas, que é caracterizada pelo número de dias por ano em que ocorreram trovoadas. A duração média das tempestades durante um dia de tempestade no território da Federação Russa é de 1,5 a 2 horas. A atividade de trovoadas em qualquer ponto da Federação Russa é estabelecida usando mapas meteorológicos especiais de atividade de trovoadas, que são compilados com base em dados de observações de longo prazo de estações meteorológicas (Fig. 29).

Fatos interessantes sobre relâmpagos:

• Nas áreas onde a atividade de trovoadas dura 30 horas por ano, ocorre em média 1 raio por quilômetro quadrado da superfície da Terra a cada dois anos.
• A cada segundo, a superfície do nosso planeta sofre mais de cem relâmpagos.