Громовідведення для дерев. Формування грозових розрядів Вплив струмів блискавки

Гроза – що це? Звідки беруться блискавки, що розтинають все небо, і грізні гуркіт грому? Гроза – це природне явище. Блискавки, звані можуть утворюватися всередині хмар (кучово-дощових), або між хмарами. Вони, зазвичай, супроводжуються громом. Блискавки пов'язані зі зливами, шквальним вітром, а нерідко і з градом.

Активність

Гроза - це одне з найнебезпечніших Люди, уражені блискавкою, виживають лише в поодиноких випадках.

Одночасно на планеті діє приблизно 1500 гроз. Інтенсивність розрядів оцінюють у сотню блискавок за секунду.

Розподіл гроз Землі нерівномірне. Наприклад, над континентами їх у 10 разів більше, ніж над океаном. Більша частина (78%) блискавкових розрядів зосереджена в екваторіальній та тропічній зонах. Особливо часто фіксується гроза у Центральній Африці. А ось полярні райони (Антарктика, Арктика) та полюси блискавок практично не бачать. Інтенсивність грози, виявляється, пов'язана із небесним світилом. У середніх широтах пік її припадає на післяполуденний (денний) годинник, на літо. А ось мінімум зареєстрований перед сходом сонця. Важливі та географічні особливості. Найбільш потужні грозові центри знаходяться в Кордильєрах та Гімалаях (гірські райони). Різнорічна кількість «грозових днів» і в Росії. У Мурманську, наприклад, їх лише чотири, в Архангельську — п'ятнадцять, Калінінграді — вісімнадцять, Пітері — 16, у Москві — 24, Брянську — 28, Воронежі — 26, Ростові — 31, Сочі — 50, Самарі — 25, Казані та Єкатеринбурзі - 28, Уфі - 31, Новосибірську - 20, Барнаулі - 32, Читі - 27, Іркутську та Якутську - 12, Благовіщенську - 28, Владивостоці - 13, Хабаровську - 25, Південно-Сахалінську - 7, Петропав.

Розвиток грози

Як воно відбувається? утворюється лише за певних умов. Обов'язково є наявність висхідних потоків вологи, при цьому має бути наявність структури, де одна частка частинок знаходиться в крижаному стані, інша - в рідкому. Конвекція, що призведе до розвитку грози, виникне у кількох випадках.

Нерівномірне нагрівання приземних верств. Наприклад, над водою за значної різниці температур. Над великими містами грозова інтенсивність буде дещо сильнішою, ніж на околицях.

При витісненні холодним повітрям теплого. Фронтальна конвенція часто розвивається одночасно з обкладинними та шарувато-дощовими хмарами (хмарами).

При підйомах повітря у гірських масивах. Навіть малі височини можуть призвести до посилення утворень хмар. Це вимушена конвекція.

Будь-яка грозова хмара, незалежно від її типу, обов'язково проходить три стадії: купу, зрілості, стадію розпаду.

Класифікація

Грози певний час класифікувалися лише у місці спостереження. Вони поділялися, наприклад, на орфографічні, локальні, передні. Наразі грози класифікують за характеристиками, що залежать від тих метеорологічних оточень, у яких вони розвиваються. формуються через нестійкість атмосфери. Для створення грозових хмар це є основною умовою. Дуже важливими є характеристики таких потоків. Залежно від їхньої потужності та величини формуються, відповідно, різні типи грозових хмар. Як вони поділяються?

1. Купово-дощові одноосередкові, (локальні або внутрішньомасові). Мають градову чи грозову активність. Поперечні розміри від 5 до 20 км, вертикальні від 8 до 12 км. «Живе» така хмара до години. Після грози погода мало змінюється.

2. Багатоосередкові кластерні. Тут масштаби більші — до 1000 км. Багатоосередковий кластер охоплює групу грозових осередків, що знаходяться на різних стадіях формування та розвитку і в той же час становлять одне ціле. Як вони влаштовані? Зрілі грозові осередки розташовуються в центрі, що розпадаються - з Поперечні розміри можуть досягати 40 км. Кластерні багатоосередкові грози «дають» пориви вітру (шквальні, але не сильні), злива, град. Існування одного зрілого осередку обмежується півгодини, а ось сам кластер може «жити» кілька годин.

3. Лінії шквалів. Це також багатоосередкові грози. Їх називають ще лінійними. Вони можуть бути суцільними, так і з брешами. Пориви вітру тут більш тривалі (на передньому фронті). Багатоосередкова лінія при наближенні здається темною стіною хмар. Число потоків (як висхідних, так і низхідних) тут досить велике. Саме тому такий комплекс гроз класифікується, як багатоосередковий, хоча грозова структура інша. Лінія шквала здатна дати інтенсивну зливу і велику град, проте частіше «обмежується» сильними поблажливими потоками. Найчастіше вона проходить перед холодним фронтом. На знімках така система має форму вигнутої цибулі.

4. Суперосередкові грози. Трапляються такі грози рідко. Вони особливо небезпечні для майна та життя людини. Хмара цієї системи схожа з одноосередковим, оскільки обидва відрізняються однією зоною висхідного потоку. Проте розміри у них різні. Суперосередкова хмара - величезна - близько 50 км у радіусі, висота - до 15 км. Межі його можуть бути у стратосфері. Форма нагадує єдину напівкруглу ковадло. Швидкість висхідних потоків набагато вища (до 60 м/с). Характерна риса – наявність обертання. Саме воно створює небезпечні, екстремальні явища (великий град (більше 5 см), руйнівні смерчі). Основним фактором для утворення такої хмари є навколишні умови. Йдеться про дуже сильну конвенцію з температурою від +27 і вітер зі змінним напрямом. Такі умови виникають при зсувах вітру у тропосфері. Опади, що утворюються в висхідних потоках, переносяться в зону низхідних, що забезпечує тривале життя хмарі. Опади розподіляються нерівномірно. Зливи йдуть поблизу висхідного потоку, а град - ближче на північний схід. Задня частина грози може зміститися. Тоді найбільш небезпечною зоною буде поряд з основним висхідним потоком.

Існує ще поняття "суха гроза". Це досить рідкісне, характерне для мусонів. При такій грозі відсутні опади (просто не долітають, випаровуючись внаслідок впливу високої температури).

Швидкість пересування

В ізольованій грозі вона становить приблизно 20 км/год, іноді швидше. Якщо холодні фронти активні, швидкість може становити 80 км/год. У багатьох гроз старі грозові осередки замінюються на нові. Кожна з них проходить відносно невеликий шлях (близько двох кілометрів), однак у сукупності відстань збільшується.

Механізм електризації

Звідки беруться самі блискавки? навколо хмар і всередині них постійно рухаються. Процес цей досить складний. Найпростіше уявити картину роботи електричних зарядів у зрілих хмарах. Домінує у них дипольна позитивна структура. Як вона розподіляється? Позитивний заряд розміщується вгорі, а негативний – під ним, усередині хмари. Згідно з основною гіпотезою (цю область науки можна поки вважати малозвіданою), більш важкі та великі частинки заряджаються негативно, а дрібні та легені мають позитивний заряд. Перші падають швидше, ніж другі. Це стає причиною просторового розподілу об'ємних зарядів. Такий механізм підтверджується лабораторними експериментами. Мати сильну передачу заряду можуть частинки крижаної крупи або граду. Величина і знак залежатимуть від водності хмари, температури повітря (навколишнього), швидкості зіткнення (основні чинники). Не виключається вплив інших механізмів. Розряди відбуваються між землею та хмарою (або нейтральною атмосферою, або іоносферою). Саме в цей момент ми спостерігаємо спалахи, що розтинають небо. Або блискавки. Процес цей супроводжується гучними гуркотом (громом).

Гроза – це складний процес. На його вивчення можуть піти довгі десятиліття, а можливо навіть століття.

Дерева нерідко стають мішенню для ударів блискавок, що часом призводить до дуже серйозних наслідків. Ми розповімо про те, яку небезпеку зазнає поразка блискавкою як для самих дерев, так і для людей, що живуть поруч із ними, а також як можна знизити ризики, пов'язані з цим явищем.

Куди б'є блискавка

Для значної частини Землі грози – цілком звичайне явище. Одночасно над Землею вирує близько півтори тисячі гроз. Щороку, наприклад, у Москві спостерігається понад 20 грозових днів. Але незважаючи на звичність цього природного явища, його міць не може не вражати. Напруга струму середньої блискавки близько 100000 вольт, а сила струму 20000-50000 ампер. Температура каналу блискавки досягає 25 000 – 30 000 °C. Не дивно, що попадання блискавки в будови, дерева чи людей та поширення її електричного заряду часто призводить до катастрофічних наслідків.

Хоча поразка блискавкою окремо взятого наземного об'єкта, будівля, щогла або дерево, досить рідкісна подія, колосальна руйнівна сила робить грози одним з найбільш небезпечних для людини природних явищ. Так, за статистикою, кожна сьома пожежа у сільській місцевості починається через удар блискавки, за кількістю викликаних природними лихами зареєстрованих смертельних випадків блискавки посідають друге місце, поступаючись лише повеням.

Імовірність поразки наземних об'єктів (зокрема і дерев) блискавкою залежить від кількох чинників:

• від інтенсивності грозової активності у регіоні (пов'язана з особливостями клімату);
• від висоти цього об'єкта (що вище, то ймовірніше удар блискавки);
• від електричного опору об'єкта та розташованих під ними шарів ґрунту (чим нижче електричний опір об'єкта та розташованих під ним шарів ґрунту, тим вища ймовірність розряду в нього блискавки).

Зі сказаного зрозуміло, чому дерева часто стають мішенню для блискавок: дерево нерідко є переважаючим по висоті елементом рельєфу, насичена вологою жива деревина, пов'язана з глибокими шарами ґрунту, що мають низький електричний опір, часто являє собою непогано заземлений природний.

Грозова активність у деяких населених пунктах Московської області

Населений пункт	Середньорічна тривалість гроз, годинник	Питома щільність ударів блискавок на 1 км²	Загальна характеристика грозової активності
Волоколамськ	40–60	4	висока
Істра	40–60	4	висока
Новий Єрусалим	40–60	4	висока
Павловський Посад	20–40	2	середня
Москва	20–40	2	середня
Кашира	20–40	2	середня

Чим небезпечна поразка блискавкою дерева

Наслідки удару блискавки в дерево часто виявляються руйнівними як для нього самого, так і для розташованих поруч будівель, а також становлять значну загрозу для людей, які опинилися поблизу. У момент проходження потужного електричного заряду через деревину відбувається потужне виділення тепла та вибухове випаровування вологи всередині ствола. Результатом цього стають ушкодження різної тяжкості: від поверхневих опіків чи тріщин до повного розщеплення ствола чи займання дерева. У деяких випадках усередині стовбура виникають значні механічні пошкодження (поздовжні тріщини або розщеплення деревини по річних кільцях), що практично непомітні при зовнішньому огляді, але суттєво збільшують ризик падіння дерева в найближчому майбутньому. Нерідко серйозні, але непомітні при візуальному огляді пошкодження можуть отримувати коріння дерева.

У тому випадку, якщо пошкодження блискавкою не призводить до миттєвого руйнування або загибелі дерева, отримані ним великі травми можуть стати причиною розвитку небезпечних хвороб, наприклад, гнилей, судинних захворювань, ослаблена рослина стає легкою здобиччю стовбурових шкідників. Внаслідок цього дерево може стати небезпечним або усохнути.

Удари блискавки в дерева (у тому числі й живі) нерідко викликають пожежі, які переходять на довколишні будівлі. Іноді бічний розряд від дерева передається на стіну будівлі, навіть якщо на ньому встановлено блискавковідведення. Нарешті, електричний потенціал від ураженого дерева поширюється в поверхневих шарах ґрунту, внаслідок чого він може бути занесений у будівлю, пошкодити підземні комунікації або призвести до ураження електричним струмом людей чи домашніх тварин.

Удар блискавки в дерево здатний завдати значних матеріальних збитків навіть у тому випадку, якщо аварійної ситуації при цьому не виникло. Адже оцінка безпеки такого дерева, спеціальний догляд за ним або навіть просте видалення сухого або безнадійно хворого дерева може бути пов'язане зі значними матеріальними витратами.

Іноді бічний розряд від дерева передається на стіну будівлі, навіть якщо на ньому встановлено блискавковідведення.

Проблеми нормативної бази

Таким чином, блискавкозахист особливо цінних дерев (що є центром ландшафтних композицій, історичних та рідкісних) або дерев, що ростуть поблизу житла, може бути практично виправданим. Проте нормативна база, яка наказує або регулює блискавкозахист дерев, у нашій країні повністю відсутня. Такий стан справ є наслідком інертності вітчизняної нормативно-правової бази, ніж адекватною оцінкою ризиків, пов'язаних з ураженням блискавками дерев в урбанізованому середовищі.

Основний чинний вітчизняний стандарт із блискавкозахисту датується 1987 роком. Ставлення до блискавкозахисту у заміській місцевості у цьому документі відображає реалії та позиції того часу: матеріальна цінність більшості заміських споруд була невелика, а інтереси держави фокусувалися на захисті суспільної, а не приватної власності. Крім того, укладачі вітчизняних стандартів виходили з припущення, що при будівництві заміського житла дотримуються будівельних норм та правил, але це не завжди так. Зокрема, мінімальна відстань від стовбура дерева до стіни будівлі має бути не менше 5 м. У реаліях ж заміського будівництва будинки часто мають впритул до дерев. Причому власники таких дерев, як правило, неохоче погоджуються на їхнє видалення.

В інших країнах нормативи щодо захисту від блискавки є: наприклад американський – ANSI A 300 Part 4 або британська – British Standard 6651 регулює зокрема й блискавкозахист дерев.

Мінімальна відстань від стовбура дерева до стіни будівлі має бути не менше ніж 5 м.

Коли необхідний захист?

У яких випадках має сенс задуматися про блискавкозахист дерева? Перерахуємо чинники, виходячи з яких може бути рекомендоване таке рішення.

Дерево росте на відкритій місцевості або помітно вище за сусідні дерева, будівлі, споруди та елементи рельєфу.. Об'єкти, що переважають по висоті, уражаються блискавками частіше.

Район із високою грозовою активністю. При високій частоті гроз ймовірність ураження дерев (як інших об'єктів) зростає. Основними характеристиками грозової активності є середньорічне число грозових годинників, а також середня питома щільність ударів блискавок у землю (середньорічне число ударів блискавок на 1 км²) земної поверхні. Останній показник використовується для розрахунку очікуваного числа поразок об'єкта (у тому числі дерева) блискавкою на рік. Наприклад, у разі району із середньою тривалістю грозового годинника 40–60 на рік (зокрема, деякі райони Московської області) очікується ураження дерева заввишки 25 м один раз на 20 років.

Розташування ділянки поблизу водойм, підземних ключів, підвищена вологість ґрунту на ділянці . Таке розташування додатково збільшує ризик ураження дерева блискавкою.

Високе дерево росте на відстані трьох або менше метрів від будівлі. Таке розташування дерева не впливає на можливість потрапляння в нього блискавки. Однак поразка дерев, розташованих поблизу будівель, несе значні загрози як для самих будівель, так і для людей, що знаходяться в них. При цьому підвищується ризик ураження будівлі бічним розрядом, дуже великий ризик пошкодження покрівлі при падінні дерева, при його спалах пожежа може поширитися на будинок.

Гілки дерева нависають над покрівлею будівлі, стосуються його стін, козирків, водостоків або декоративних елементів фасаду.. У цьому випадку також підвищується ризик пошкодження будівлі, спалахів, перенесення розряду додому.

Дерево відноситься до породи, яка часто або регулярно вражається ударами блискавок. . Дерева деяких порід уражаються блискавками частіше, ніж інші. Найчастіше уражаються блискавками дуби.

Коріння дерева, що росте поряд з будівлею, може контактувати з підземним фундаментом або комунікаціями, що підходять до будинку.. У цьому випадку при ураженні блискавкою дерева підвищується ймовірність «занесення» розряду в приміщення або пошкодження комунікацій (наприклад, датчиків поливу та електромереж).

Фахівці з блискавкозахисту будівель рекомендують установку блискавкоприймача, що окремо стоїть, при цьому на відстані від 3 до 10 м є дерева, що підходять за висотою та іншими параметрами для встановлення блискавкоприймача та струмовідводу.. Установка окремої щогли може коштувати досить дорого. Для багатьох власників заміських будинків такі щогли також естетично неприйнятні. І нарешті, розмістити щоглу в лісовій зоні таким чином, щоб при її будівництві не постраждали коріння дерев або розтяжки не заважали переміщенню людей, буває дуже непросто.

Схильність до ураження незахищених дерев деяких порід
(Зі стандарту ANSI A 300, Part 4)

Принцип дії

Принцип дії системи захисту від блискавки полягає в тому, що розряд блискавки «перехоплюється» блискавкоприймачем, безпечно проводиться струмовідведенням і передається в глибокі шари грунту за допомогою заземлення.

Компонентами системи блискавкозахисту дерева є: блискавкоприймач (один або кілька), надземний струмовідвід, підземний струмовідвід та система заземлення, що складається з кількох заземлюючих стрижнів або пластин.

При розробці власних схем блискавкозахисту ми зіткнулися з необхідністю поєднання вітчизняних стандартів по блискавкозахисту будівель та споруд та західних стандартів, що регулюють блискавкозахист дерев. Необхідність такого поєднання пов'язана з тим, що в чинних вітчизняних стандартах немає рекомендацій щодо встановлення систем захисту від блискавки на дерева, а більш старі приписи включають інструкції, що становлять загрозу для здоров'я дерева. У той же час американський стандарт ANSI A 300, що містить докладну інформацію про кріплення системи на дереві та принципи її встановлення та обслуговування, пред'являє нижчі вимоги до електробезпеки системи в порівнянні з вітчизняними нормативами.

Компоненти захисту від блискавки виконуються з міді або нержавіючої сталі. При цьому, щоб уникнути корозії, використовується тільки один із вибраних матеріалів у всіх з'єднаннях та контактах між провідними елементами. Однак, при використанні міді допускається застосування бронзових елементів кріплення. Мідні компоненти дорожчі, але мають більшу провідність, що дозволяє зменшити розмір компонентів, зробити їх менш помітними та скоротити витрати на монтаж системи.

За статистикою, кожна сьома пожежа у сільській місцевості починається через удар блискавки, за кількістю викликаних природними лихами зареєстрованих смертельних випадків блискавки посідають друге місце, поступаючись лише повеням.

Компоненти системи

Блискавкоприймач являє собою замкнуту на кінці металеву трубку. Струмовідвід входить всередину блискавкоприймача і приєднується до нього болтами.

Для дерев з розлогою кроною бувають необхідні додаткові струмоприймачі, оскільки в цьому випадку розряд блискавки може вдарити у гілки або вершини, віддалені від блискавки. Якщо на дереві встановлена ​​система механічної підтримки гілок на основі металевих тросів, то при виконанні захисту від блискавки вона також повинна бути заземлена. Для цього за допомогою болтового контакту до неї приєднується додатковий струмовідвід. Слід враховувати, що прямий контакт міді з оцинкованим тросом є неприпустимим, оскільки веде до корозії.

Струмовідводи від блискавкоприймачів та додаткових контактів з'єднуються за допомогою спеціальних затискних контактів або болтових з'єднань. Відповідно до стандарту ANSI A 300 для блискавкозахисту дерев використовуються струмовідведення у вигляді суцільнометалевих сталевих кабелів різного плетіння. Відповідно до вітчизняних стандартів мінімальний ефективний переріз струмовідводу з міді – 16 мм², мінімальний розмір ефективного перерізу струмовідводу зі сталі – 50 мм. При проведенні струмовідведення по дереву необхідно уникати їх різких згинів. Неприпустимі вигини струмовідводів під кутом менше 900, радіус кривизни вигину не повинен бути меншим 20 см.

Струмовідводи приєднуються до ствола за допомогою металевих затискачів, що заглиблюються в деревину ствола на кілька сантиметрів. Матеріал затискачів не повинен призводити до контактної корозії при з'єднанні з струмовідведенням. Фіксувати струмовідведення, прив'язуючи їх до дерева дротом, не можна, оскільки радіальний ріст стовбура призведе до виникнення кільцевих травм та усихання дерева. Жорстка фіксація струмовідводів на поверхні стовбура (скобами) призведе до їх вростання в стовбур, зниження довговічності та безпеки системи та розвитку великої стовбурової гнилі. Оптимальний варіант кріплення системи – встановлення динамічних затискачів. У цьому випадку при збільшенні діаметра ствола тримачі з кабелями автоматично підтискаються до кінця стрижня тиском тканин дерева. Зазначимо, що заглиблення штифтів затискачів на кілька сантиметрів у деревину та їх подальша часткова інкапсуляція деревом практично не завдає йому жодної шкоди.

Струмовідведення спускаються вниз по стволу до його основи і заглиблюються в траншею.

Мінімальна глибина траншеї для підземної частини струмовідводу, що пропонує стандарт ANSI A 300, – 20 см. Копка траншеї проводиться вручну із збереженням максимальної кількості коренів. У тих випадках, коли пошкодження коренів є особливо небажаним, для влаштування траншеї слід використовувати спеціальне обладнання. Наприклад, повітряний ніж – компресорний інструмент, призначений для виконання земляних робіт у приствольній зоні дерев. Цей пристрій, використовуючи сильний сфокусований потік повітря, здатний видалити частинки ґрунту, не пошкоджуючи навіть найтонших коренів дерева.

Тип і параметри заземлювального пристрою та відстань, на яку повинен відходити до нього струмовідведення, визначаються властивостями ґрунту. Це з необхідністю скоротити до необхідного рівня імпульсний опір заземлення – електричний опір розтіканню імпульсу електричного струму від заземлювального електрода. За вітчизняними нормами в місцях, які регулярно відвідують люди, такий опір не повинен перевищувати 10 Ом. Дана величина опору заземленню повинна виключити іскрові пробої струму від підземного струмовідводу та заземлювача на поверхню ґрунту і, отже, запобігти поразці людей, будов та комунікацій електричним струмом. Основний показник ґрунту, що визначає вибір схеми заземлення, – питомий опір ґрунту – опір між двома гранями 1 м³ землі при проходженні струму.

Чим вище питомий опір ґрунту, тим більш розгалуженою має бути система заземлення, щоб забезпечити безпечне стікання електричного заряду. На ґрунтах з невеликим питомим опором – до 300 Ом (суглинки, глини, заболочена місцевість) – як правило, застосовується система заземлення з двох вертикальних заземлюючих стрижнів, з'єднаних струмовідведенням. Між стрижнями витримується відстань щонайменше 5 м. Довжина стрижнів 2,5–3 м, верхній кінець стрижня заглиблюється на 0,5 м.

На ґрунтах з великими значеннями питомого опору (супеси, піски, гравій) використовуються багатопроменеві системи заземлення. При обмеженні можливої ​​глибини залягання заземлення застосовуються пластини, що заземлюють. Для зручності оглядів та тестування надійності заземлення над заземлюючими елементами встановлюються невеликі колодязі.

Питомий опір ґрунту не стала величина, її значення сильно залежить від вологості ґрунту. Тому в посушливу пору року надійність заземлення може знижуватися. Для запобігання цьому використовується кілька прийомів. По-перше, стрижні, що заземлюють, по можливості розміщуються в зоні поливу. По-друге, верхня частина стрижня заглиблюється на 0,5 м нижче поверхні ґрунту (верхні 0,5 м ґрунту найбільш схильні до пересихання). По-третє, при необхідності в ґрунт додається бентоніт – природний вологоутримуючий компонент. Бентоніт є дрібними колоїдними частинками мінеральної глини, поровий простір яких добре утримує вологу і стабілізує вологість грунту.

Насичена вологою жива деревина, пов'язана з глибокими шарами ґрунту, що мають низький електричний опір, часто являє собою непогано заземлений природний громовідвід.

Поширені помилки

У вітчизняній практиці блискавкозахист дерев застосовується рідко, і в тих випадках, коли вона все ж таки виробляється, при її влаштуванні відбувається ряд серйозних помилок. Так, як блискавковідводи, як правило, використовуються металеві прутки, що закріплюються на дереві за допомогою дроту або металевих обручів. Такий варіант кріплення призводить до виникнення серйозних кільцевих травм ствола, які з часом призводять до повного усихання дерева. Певну небезпеку представляє і вростання струмовідведення в ствол дерева, що призводить до виникнення великих відкритих поздовжніх ран на стволі.

Оскільки встановлення блискавкозахисту на дерева виробляється електромонтажниками, то для підйому на дерево ними зазвичай використовуються гафи (кішки) - черевики з металевими шипами, що завдають серйозних травм дереву.

На жаль, ігноруються й особливості крони дерева: як правило, не враховується необхідність встановлення кількох блискавкоприймачів на багатовершинні дерева з широкими кронами, не враховуються також структурні дефекти розгалуження дерева, що нерідко призводить до зламу і падіння вершини з встановленим блискавкоприймачем.

Блискавкозахист дерев не можна назвати поширеною практикою. Показання до її виконання трапляються в районах з помірною грозовою активністю досить рідко. Проте в тих випадках, коли блискавкозахист дерев необхідний, дуже важливим є її правильне виконання. Проектуючи та встановлюючи такі системи, важливо враховувати не тільки надійність самого блискавковідводу, але й безпеку системи для дерева, що захищається.

Підсумкова надійність захисту від блискавки буде залежати як від правильного вибору її матеріалів, контактів і заземлення, так і від стійкості самого дерева. Тільки враховуючи особливості структури крони, радіального приросту, розташування кореневої системи дерева, можна створити надійну деревину, що не завдає небезпечних травм, а отже, не створює зайвих ризиків для людей, що живуть поруч людей, блискавкозахисту.

Міністерство освіти Російської Федерації
Казанський Державний Університет
Факультет географії та екології
Кафедра метеорології, кліматології та екології атмосфери
Грозова діяльність у Прідкісному
Курсова робота
Студента 3 курсу, гр. 259 Хімченко Д.В.

Науковий керівник, доцент Тудрій В.Д. ________
Казань 2007
Зміст

Вступ
1. Грозова діяльність
1.1. Характеристики гроз
1.2. Гроза, її вплив на людину та народне господарство
1.3. Грози та сонячна активність
2. Методи отримання та обробки вихідних даних
2.1. Отримання вихідного матеріалу
2.2. Основні статистичні характеристики
2.3. Статистичні характеристики індексів грозової активності
2.4. Розподіл основних статистичних характеристик
2.5. Аналіз трендів
2.6. Регресійна залежність числа днів із грозою від чисел Вольфа
Висновок
Література
Програми
Вступ

Типовий розвиток купово-дощових хмар і випадання з них опадів пов'язаний з потужними проявами атмосферної електрики, а саме з багаторазовими електричними розрядами в хмарах або між хмарами та Землею. Такі розряди іскрового характеру називають блискавками, а звуки, що їх супроводжують, - громом. Весь процес, який часто супроводжується ще й короткочасними посиленнями вітру - шквалами, називається грозою.
Грози завдають великої шкоди народному господарству. Їхнім дослідженням приділяють велику увагу. Наприклад, в основних напрямках економічного та соціального розвитку СРСР на 1986-1990рр. та на період до 2000 року було передбачено проведення великих заходів. Серед них особливої ​​значущості набули дослідження небезпечних для народного господарства явищ погоди та вдосконалення методів їх прогнозу, у тому числі гроз та пов'язаних з ними злив, граду та шквалів. У наші дні також приділяється велика увага проблемам, пов'язаним із грозовою діяльністю та блискавкозахистом.
Грозовою діяльністю займалися багато вчених нашої та зарубіжних країн. Понад 200 років тому Б. Франкліном було встановлено електричну природу грози, понад 200 років тому М.В. Ломоносовим було запроваджено першу теорію електричних процесів у грозах. Незважаючи на це, досі немає задовільної загальної теорії грози.
Вибір не випадково припав на цю тему. Останнім часом інтерес до грозової діяльності зростає, що зумовлено багатьма чинниками. Серед них: більш поглиблене вивчення фізики грози, вдосконалення прогнозу гроз та способів захисту від блискавки та ін.
Метою даної курсової роботи є вивчення тимчасових особливостей розподілу та регресійної залежності грозової діяльності з числами Вольфа в різні періоди та в різних районах Предкам'я.
Завдання курсової роботи
1. Створити банк даних на технічних носіях числа днів з грозою з декадною дискретизацією як основні характеристики грозової діяльності, і чисел Вольфа як основної характеристики сонячної активності.
2. Розрахувати основні статистичні характеристики грозового режиму.
3. Знайти рівняння тренду числа днів із грозою.
4. Знайти рівняння регресії для числа днів із грозою в Предкам'ї та числами Вольфа.
Глава 1.Грозова діяльність
1.1 Характеристики гроз

Основними характеристиками її гроз є: число днів з грозою і повторюваність гроз.
Грози особливо часті над суходолом у тропічних широтах. Там є райони, де 100-150 днів і більше на рік із грозами. На океанах у тропіках гроз набагато менше, приблизно 10-30 днів на рік. Тропічні циклони завжди супроводжуються жорстокими грозами, однак ці обурення спостерігаються рідко.
У субтропічних широтах, де переважає високий тиск, гроз набагато менше: над сушею 20-50 днів із грозами на рік, над морем 5-20 днів. У помірних широтах 10-30 днів із грозами над сушею та 5-10 днів над морем. У полярних широтах грози – поодиноке явище.
Зменшення кількості гроз від низьких широт до високих пов'язане зі зменшенням водності хмар з широтою внаслідок зменшення температури.
У тропіках та субтропіках грози найчастіше спостерігаються у дощовий період. У помірних широтах над сушею найбільша повторюваність гроз влітку, коли розвивається конвекція у місцевих повітряних масах. Взимку грози в помірних широтах дуже рідкісні. Але над океаном грози, що у холодних повітряних масах, нагріваються знизу теплої води, мають максимум повторюваності взимку. На крайньому заході Європи (Британські острови, узбережжя Норвегії) також часті зимові грози.
Підраховано, що на земній кулі одночасно відбувається 1800 гроз і виникає помітно 100 блискавок у кожну секунду. У горах грози спостерігаються частіше, ніж рівнинах.
1.2 Гроза, її вплив на людину та народне господарство

Гроза належить до тих явищ природи, які помічає сама неспостережна людина. Її небезпечні дії широко відомі. Про її корисні наслідки знають менше, хоча вони відіграють істотну роль. В даний час проблема прогнозу гроз і пов'язаних з нею небезпечних конвективних явищ є найбільш актуальною і однією з найважчих у метеорології. Головні труднощі її вирішення полягають у дискретності розподілу гроз та складності взаємозв'язку між грозами та численними факторами, що впливають на їх формування. Розвиток гроз пов'язане з розвитком конвекції, яка дуже мінлива у часі та просторі. Прогноз гроз складний ще й тому, що крім передбачення синоптичної обстановки необхідно спрогнозувати стратифікацію та вологість повітря на висотах, товщину хмарного шару, максимальну швидкість висхідного потоку. Необхідно знати, як змінюється грозова активність у результаті людської діяльності. Вплив грози на людину, тварин, різноманітні види діяльності; питання, пов'язані з блискавкозахистом, також є актуальними у метеорології.
Розуміння природи грози є суттєвим не тільки для метеорологів. Вивчення електричних процесів у таких гігантських - порівняно з масштабами лабораторій - обсягах дозволяє встановити більш загальні фізичні закономірності природи високовольтних розрядів, розрядів у хмарах аерозолів. Таємниця кульових блискавок може бути розкрита лише за осягненні процесів, які у грозах.
За походженням грози поділяються на внутрішньомасові та фронтальні.
Внутрішньомасові грози спостерігаються двох типів: у холодних повітряних масах, що переміщаються на теплу земну поверхню, та над прогрітою сушею влітку (місцеві, або теплові грози). В обох випадках виникнення грози пов'язане з потужним розвитком хмар конвекції, а отже, із сильною нестійкістю стратифікації атмосфери та з сильними вертикальними переміщеннями повітря.
Фронтальні грози пов'язані головним чином з холодними фронтами, де тепле повітря витісняється вгору холодним повітрям, що просувається вперед. Влітку над сушею вони часто пов'язані і з теплими фронтами. Континентальне тепле повітря, що піднімається влітку над поверхнею теплого фронту, може виявитися дуже нестійким, тому над поверхнею фронту може виникнути сильна конвекція.
Відомі такі дії блискавок: теплові, механічні, хімічні та електричні.
Температура блискавки досягає від 8000 до 33000 градусів Цельсія, тому вона має велику теплову дію на навколишнє середовище. Тільки США, наприклад, блискавки викликають щорічно близько 10000 лісових пожеж. Однак у деяких випадках ці пожежі приносять користь. Наприклад, у Каліфорнії часті пожежі давно очищали ліси від порослі: вони були незначні і деревам не шкідливі.
Причиною виникнення механічних сил при ударі блискавки є різке підвищення температури, тиску газів і пари, що виникають у місці проходження блискавки. Так, наприклад, при ударі блискавки в дерево, дерев'яний сік, після проходження по ньому струму, переходить у стан газу. Причому цей перехід має вибуховий характер, внаслідок чого стовбур дерева розколюється.
Хімічна дія блискавки замало і обумовлена ​​електролізом хімічних елементів.
Найнебезпечнішим для живих істот є електрична дія, оскільки внаслідок цієї дії удар блискавки може призвести до загибелі живої істоти. При ударі блискавки в незахищені або погано захищені будівлі або обладнання вона призводить до загибелі людей або тварин внаслідок виникнення високої напруги в окремих предметах, для цього людині або тварині достатньо торкнутися їх або перебувати поряд з ними. Блискавка вражає людину навіть за невеликих гроз, причому кожен прямий її удар для неї зазвичай смертельний. Після непрямого удару блискавки людина зазвичай не гине, але і в цьому випадку для збереження її життя потрібна своєчасна допомога.
Лісові пожежі, пошкоджені лінії електропередачі та зв'язку, уражені літаки та космічні апарати, нафтосховища, що загорялися, загублені градом сільськогосподарські посадки, зірвані штормовим вітром дахи, загиблі від удару блискавок люди і тварини - це далеко не повний список наслідків, пов'язаних з грозовою ситуацією.
Збитки, завдані блискавками лише за один рік по всій земній кулі, оцінюються мільйонами доларів. У зв'язку з цим ведуться розробки нових, досконаліших способів блискавкозахисту і точнішого прогнозу гроз, що, своєю чергою, зумовлює глибше вивчення грозових процесів.
1.3 Грози та сонячна активність

Вивченням сонячних зв'язків вчені займаються давно. Вони логічно дійшли висновку, що недостатньо розглядати Сонце лише як джерело променистої енергії. Енергія Сонця - основне джерело більшості фізико-хімічних явищ в атмосфері, гідросфері та поверхневому шарі літосфери. Природно різкі коливання кількості цієї енергії впливають на зазначені явища.
Систематизацією даних про сонячну активність займався цюріхський астроном Р.Вольф (R. Wolf, 1816-1893 р.р.). Він визначив, що, в середньому арифметичному, період максимальної та мінімальної кількості плям – максимуми та мінімуми сонцедіяльності дорівнює одинадцяти рокам.
Наростання плямоосвітнього процесу від точки мінімуму до максимуму відбувається стрибками з різкими підйомами та падіннями, зсувами та перебоями. Стрибки постійно зростають і в момент максимуму досягають своїх найвищих значень. Ці стрибки у появі та зникненні плям, мабуть, і є винуватцями багатьох ефектів, що розвиваються на Землі.
Найбільш показовою характеристикою інтенсивності активності Сонця, запропонованої Рудольфом Вольфом 1849 року, є числа Вольфа чи, звані, цюрихські числа сонячних плям. Обчислюється за формулою W=k*(f+10g), де f - кількість плям, що спостерігаються на диску Сонця, g - кількість утворених ними груп, k - нормувальний коефіцієнт, що виводиться для кожного спостерігача і телескопа, щоб мати можливість спільно використовувати знайдені ними відносні числа Вольфа. При підрахунку f кожне ядро ​​("тінь"), відокремлене від сусіднього ядра півтінню, а також кожна пора (маленька пляма без півтіні) вважаються плямами. При підрахунку g окрема пляма і навіть окрема пора вважаються групою.
З цієї формули видно, що індекс Вольфа є сумарним індексом, що дає загальну характеристику плямоосвітньої діяльності Сонця. Він безпосередньо враховує якісну бік сонячної активності, тобто. потужність плям та їх стійкість у часі.
Абсолютна кількість Вольфа, тобто. підраховане конкретним спостерігачем, визначається сумою добутку числа десять на загальну кількість груп сонячних плям, при цьому кожна окрема пляма вважається за групу, і повної кількості, як одиночних, так і входять до групи плям. Відносне число Вольфа визначається шляхом множення абсолютного числа Вольфа на нормувальний коефіцієнт, що визначається для кожного спостерігача та його телескопа.
Відновлена ​​за історичними джерелами, починаючи з середини XVI століття, коли почалися підрахунки кількості сонячних плям, інформація дозволила отримати усереднені за кожен місяць числа Вольфа. Це дало можливість визначити характеристики циклів сонячної активності, починаючи з того часу і аж до наших днів.
Періодична діяльність Сонця дуже помітно впливає на число і, мабуть, на інтенсивність гроз. Останні є видимі електричні розряди в атмосфері, що супроводжуються зазвичай громом. Блискавка відповідає іскровому розряду електростатичної машини. Утворення грози пов'язане із конденсацією водяних. пари в атмосфері. Маси повітря, що спливають вгору, адіабатично охолоджуються, і це охолодження відбувається часто до температури нижче точки насичення. Тому конденсація пари може наступити раптово, утворюються краплі, створюючи хмару. З іншого боку, для конденсації парів необхідна присутність у атмосфері ядер чи центрів конденсації, якими, передусім, можуть бути частинки пилу.
Ми бачили вище, що кількість пилу у верхніх шарах повітря частково може бути обумовлена ​​ступенем напруги плямового процесу на Сонці. Крім того, у періоди проходження плям на диску Сонця кількість ультрафіолетового випромінювання Сонця також зростає. Це випромінювання іонізує повітря, і іони також стають ядрами конденсації.
Потім йдуть електричні процеси у водяних краплях, які набувають електричного заряду. Однією з причин, що зумовлюють ці заряди є адсорбція водяними краплями легких іонів повітря. Однак значення цієї адсорбції другорядне і дуже незначне. Помічено також, що окремі краплі під впливом сильного електричного поля зливаються у струмінь. Отже, коливання у напруженості поля та зміна його знака можуть вплинути на краплі. Ймовірно, таким шляхом утворюються сильно заряджені краплі під час грози. Сильне електричне поле сприяє краплям також заряджатися електрикою.
Питання про періодичність гроз було порушено у західній літературі ще у 80-х роках минулого століття. Багато дослідників присвятили свої праці з'ясування цього питання, як Зенгер (Zenger), Красснер (Krassner), Бецольд (Bezold), Ріддер (Ridder) та ін. Так, Бецольд вказував на 11-денну періодичність гроз, а потім з обробки грозових явищ для Південної Німеччини за 1800-1887 р.р. отримав період 25,84 діб. У 1900р. Ріддер знайшов два періоди для повторюваності гроз у Ледеберзі за 1891-1894рр., А саме: у 27,5 та 33 діб. Перший із цих періодів близький до періоду обертання Сонця навколо осі і майже збігається з місячним тропічним періодом (27,3). У той же час були зроблені спроби зіставити періодичність гроз із процесом плям. Одинадцятирічний період у кількості гроз було виявлено Гессом для Швейцарії.
У Росії Д. О. Святський отримав на підставі своїх досліджень періодичності гроз таблиці та графіки, з яких добре видно як періоди повторюваності так званих грозових хвиль для великої Європейської Росії, перший – у 24 – 26, другий – у 26 – 28 діб, так і зв'язок грозових явищ із сонячною освітою плям. Отримані періоди виявилися настільки реальними, що з'явилася можливість намічати на кілька літніх місяців уперед дати проходження таких "грозових хвиль". Помилка не досягає більш ніж 1 - 2 діб, здебільшого виходить повний збіг.
Обробка спостережень грозової діяльності, проведена останніми роками Фаасом, показує, що для всієї території європейської частини СРСР найчастіше і щорічно зустрічаються періоди 26 і 13 (напівперіод) діб. Перший є знову-таки значення, дуже близьке до звернення Сонця навколо осі. Дослідження щодо залежності грозових явищ у Москві від сонцедіяльності проводилися за останні роки А. П. Мойсеєвим, який, ретельно спостерігаючи за плямоутворенням та грозами з 1915 по 1926 р., прийшов до висновку, що число та інтенсивність гроз у середньому стоїть у прямій відповідності до площею плям, що проходять через центральний меридіан Сонця. Грози частішали і посилювалися при збільшенні кількості плям на Сонці і найбільшої напруги досягали після проходження великих груп плям через середину диска Сонця. Таким чином, багаторічний перебіг кривої частоти гроз і перебіг кривої числа плям збігаються досить добре. Потім Мойсеєв досліджував інший цікавий факт, а саме добовий розподіл грози за годинником. Перший добовий максимум настає о 12 - 13 годині дня місцевого часу. Потім з 14 - 15 слідує невелике зниження, о 15-16 годині йде головний максимум, і далі крива знижується. Імовірно, ці явища стоять у зв'язку як з прямим випромінюванням Сонця та іонізацією повітря, так і з ходом температури. З дослідження Мойсеєва видно, що у моменти максимуму сонячної діяльності, і навіть близько моменту мінімуму грозова діяльність найінтенсивніша, причому у моменти максимуму набагато різкіше виражена. Це дещо суперечить становищу, підтримуваному Бецольдом і Гессом, що мінімуми частоти гроз збігаються з максимумами сонячної діяльності, Фаас у своїй обробці гроз за 1996 р. вказує, що він звернув особливу увагу те що, чи не збільшується грозова діяльність під час проходження великих плям через центральний меридіан Сонця. Для 1926 ніяких позитивних результатів отримано не було, проте в I923 спостерігався дуже тісний зв'язок явищ. Це можна пояснити тим, що в роки максимуму сонячні плями групуються ближче до екватора і проходять поблизу видимого центру сонячного диска. При такому становищі їх вплив на Землю, що обурює, слід вважати найбільшим. Багато дослідників намагалися знайти інші періоди гроз, але коливання грозової діяльності з наявних у нашому розпорядженні матеріалам дуже важкооглядні і дають можливості встановити будь-які загальні закономірності. Принаймні питання це з часом привертає увагу все більшої кількості дослідників.
Число гроз та їх інтенсивність відомим чином відбиваються і на людині та її майні. Так, зі статистичних даних, наведених ще Буденом (Budin), видно, що максимуми смертних випадків від удару блискавки падають на роки максимальної напруги у діяльності Сонця, а мінімуми їх – на роки мінімуму плям. У той же час російський лісівник Тюрін зазначає, що, згідно з його дослідженнями, виробленими на масовому матеріалі, пожежі в брянському лісовому масиві набували стихійного характеру в 1872, 1860, 1852, 183б, 1810, 1797, 1776 і 175. У північних лісах також може бути відзначена періодичність, що дорівнює в середньому 20 років, причому дати лісових пожеж на півночі в багатьох випадках збігаються із зазначеними датами, що вказує на вплив однієї і тієї ж причини - посушливі епохи, деякі з них падають на роки максимумів сонцедіяльності . Можна відзначити, що у добовому ході грозової діяльності та у добовому ході числа пожеж від блискавки спостерігається також хороша залежність.
Глава 2.Методи отримання та обробки вихідних даних
2.1 Отримання вихідного матеріалу

У цій роботі використовувалися метеорологічні дані про грозову діяльність по семи станціях республіки Татарстан: Тетюші (1940-1980), Лаїшево (1950-1980), Казань-Опорна (1940-1967), Кайбиці (1940-1968), Ар ), Агриз (1955-1967) та метеорологічній станції Казанського Державного Університету (1940-1980). Дані наводяться із декадною дискретизацією. Як індекси грозової активності бралося число днів з грозою в декаду. А також щомісячні дані про сонячну активність – числа Вольфа за 1940-1980 р.р.
За даними за ці роки розраховані основні статистичні характеристики для індексів грозової активності.
2.2 Основні статистичні характеристики

Метеорологія має справу з величезними масивами спостережень, які необхідно аналізувати для з'ясування закономірностей, що у атмосферних процесах. Тому у метеорології широко застосовуються статистичні методи аналізу великих масивів спостережень. Застосування потужних сучасних статистичних методів допомагає ясніше уявити факти та краще виявити зв'язок між ними.
Середнє значення часового ряду розраховується за формулою
? =? Gi/N
де 1< i Дисперсія показує розкид даних щодо середнього значення та знаходиться за формулою
?І = ?(Gi - ?)2 / N, де 1< i Величина, звана середньоквадратичним відхиленням, є квадратним коренем з дисперсії.
? =? (Gi -?) 2 / N, де 1< i Все більше застосування в метеорології знаходить найбільш ймовірне значення випадкової змінної – мода.
Також для характеристики метеовеличин використовують асиметрію та ексцес.
Якщо середнє значення більше моди, то розподіл частот називають позитивно асиметричним. Якщо середнє значення менше за моду, то негативно асиметричним. Коефіцієнт асиметрії обчислюється за формулою
A =? (Gi -?) 3 / N?3, де 1< i Асиметрія вважається мінімальною, якщо коефіцієнт асиметрії |A|?0.25. Асиметрія помірна, якщо 0,25<|А|>0,5. Асиметрія велика, якщо 0,5<|А|>1,5. Винятково більша асиметрія, якщо |А|>1,5. Якщо |А|>0 , то розподіл має правосторонню асиметрію, якщо |А|<0, то левостороннюю асиметрию.
Для розподілу частот, що мають однакові значення середньої асиметрії можуть відрізнятися величиною ексцесу
Е =? (Gi -?)? / N?? де 1< i Ексцес вважається мінімальним, якщо |E|?0.5; помірним, якщо 1?|E|?3 і більшим, якщо |E|>3. Якщо -0.5?Е?3, то ексцес наближається до нормального.
Коефіцієнт кореляції - це величина, що показує взаємозв'язок між двома рядами, що корелюються.
Формула коефіцієнта кореляції має такий вигляд:
R = ?((Xi-X)*(Yi-Y))/?x?y
де X і Y - середні величини, x і y - середньоквадратичні відхилення.
Властивості коефіцієнта кореляції:
1. Коефіцієнт кореляції незалежних величин дорівнює нулю.
2. Коефіцієнт кореляції не змінюється від додавання до x і y будь-яких постійних (невипадкових) доданків, а також не змінюється від множення величин x та y на позитивні числа (постійні).
3. Коефіцієнт кореляції не змінюється під час переходу від x і y до нормованих величин.
4. Діапазон зміни від –1 до 1.
Необхідно перевірити надійність наявності зв'язку, треба оцінити значущість відмінності коефіцієнта кореляції від нуля.
Якщо для емпіричного R добуток RvN-1 виявиться більше деякого критичного значення, то з надійністю S можна стверджувати, що коефіцієнт кореляції буде достовірний (достовірно відрізняються від нуля).
Кореляційний аналіз дозволяє встановити значущість (невипадковість) зміни спостережуваної, вимірюваної випадкової величини у процесі випробувань, дозволяє визначити форму та напрямок існуючих зв'язків між ознаками. Але ні коефіцієнт кореляції, ні кореляційне відношення не дають відомостей про те, наскільки може змінюватися варіююча, результативна ознака при зміні факторіальної ознаки, що пов'язана з ним.
Функція, що дозволяє за величиною однієї ознаки за наявності кореляційного зв'язку знаходити очікувані значення іншої ознаки називається регресією. Статистичний аналіз регресії називається регресійним аналізом. Це вищий ступінь статистичного аналізу масових явищ. Регресійний аналіз дозволяє передбачати Y за ознакою X:
Yx-Y=(Rxy* ?y*(X-X))/ ?x (2.1)
Xy-X = (Rxy *? x * (Y-Y)) /? Y (2.2)
де X та Y - відповідають середньому, Xy та Yx - приватні середні, Rxy - коефіцієнт кореляції.
Рівняння (2.1) та (2.2) можна записати у вигляді:
Yx=a+by*X (2.3)
Xy=a+bx*Y (2.4)
p align="justify"> Важливою характеристикою рівнянь лінійної регресії є середня квадратична похибка. Вона має такий вигляд:
для рівняння (2.3) Sy= ?y*v1-RIxy (2.5)
для рівняння (2.4) Sx= ?x*v1-RIxy (2.6)
Помилки регресії Sx і Sy дозволяють визначити можливу (довірчу) зону лінійної регресії, у межах якої є справжня лінія регресії Yx (чи Xy), тобто. лінія регресії генеральної сукупності.
Розділ 3. Аналіз розрахунків
3.1 Розподіл основних статистичних характеристик

Розглянемо деякі статистичні характеристики числа днів із грозою у Предкам'ї на семи станціях (Таблиці 1-7). У зв'язку з дуже малим числом днів із грозою в зимовий час, у цій роботі розглядатиметься період із квітня по вересень.
Станція Тетюші:
У квітні максимальне середньодекадне значення спостерігається у 3 декаді місяця = 0,20. Модальні значення у всіх декадах дорівнюють нулю, отже, слабка грозова діяльність. Максимум дисперсії та середньоквадратичного відхилення також спостерігаються у 3 декаді? 2 = 0.31; ? =0.56. Асиметрія характеризується винятково великим значенням у другій декаді А = 4,35. Також у 2 декаді спостерігається велике значення ексцесу E = 17,79.
У травні внаслідок збільшення приток тепла збільшується грозова діяльність. Максимальне середньодекадне значення спостерігалося у 3 декаді та становило? =1.61. Модальні значення у всіх декадах дорівнюють нулю. Максимальні значення дисперсії та середньоквадратичного відхилення спостерігаються у 3 декаді? 2 = 2.59; ? = 1.61. Значення асиметрії та ексцесу зменшуються від першої декади до третьої (у першій декаді А=1,23; Е=0,62; у третій декаді А=0,53; Е=-0,95).
У червні максимум среднедекадного значення посідає третю декаду?=2,07. Спостерігається збільшення значень дисперсії та середньоквадратичного відхилення порівняно з квітнем і травнем: максимум у другій декаді (? 2 = 23,37; ? = 1,84), мінімум у першій (? 2 = 1,77; ? = 1,33) . Модальні значення у перших двох декадах дорівнюють нулю, у третій декаді воно склало М=2. Асиметрія у всіх декадах велика та позитивна, у третій декаді. Ексцес у двох декадах характеризується малими значеннями, у третій декаді його значення підвищилося Е=0,67.
Найбільше середньодекадне значення у липні? =2,05 у другій декаді. Модальні значення перших двох декадах рівні 1 і 2 відповідно, у третій нулю. Максимальні значення дисперсії та середньоквадратичного відхилення спостерігаються у другій декаді та становлять? 2 = 3,15 і? = 1,77 відповідно, мінімальні у першій декаді? 2 = 1,93 і? = 1,39 відповідно. Асиметрія характеризується великими, позитивними значеннями: максимум першій декаді А=0,95, мінімум у другій декаді А=0,66. Ексцес у другій і третій декадах малий і має у другій декаді негативне значення, на першу декаду припадає максимум Е = 1,28 мінімум у другій декаді Е = -0,21.
Торішнього серпня грозова діяльність зменшується. Найбільше середньодекадне значення в першій декаді? =1,78, найменше - у третій? =0.78. Модальні значення у першій та третій декадах дорівнюють нулю, у другій – одиниці. Спостерігається зменшення значень дисперсії та середньоквадратичного відхилення: максимум у першій декаді (? 2 = 3,33; ? = 1,82), мінімум у третій (? 2 = 1,23; ? = 1,11). Відбувається невелике збільшення значень асиметрії та ексцесу від першої декади до третьої: максимуми у третій декаді А=1,62, Е=2,14, мінімуми у другій декаді А=0.40, Е=-0,82.
У вересні максимальне середньодекадне значення становило? =0,63 у першій декаді місяця. Модальні значення дорівнюють нулю. Відзначається зменшення значень дисперсії та середньоквадратичного відхилення від першої декади до третьої (? 2 =0,84; ? =0,92 - у першій декаді та? 2 =0,11; ? =0,33 - у третій).
Узагальнюючи вищесказане, робимо висновок, що значення таких статистичних характеристик як мода, дисперсія та середньоквадратичне відхилення збільшуються разом із підвищенням грозової діяльності: максимальні значення спостерігаються наприкінці червня – на початку липня (рис.1).
Рис.1
Асиметрія та ексцес навпаки приймають найбільші значення під час мінімальної грозової діяльності (квітень, вересень), у період максимальної грозової діяльності асиметрія та ексцес характеризуються більшими значеннями, але меншими порівняно з квітнем та вереснем (рис.2).
Рис.2
Максимальна грозова діяльність спостерігалася наприкінці червня – на початку липня (рис.3).
Рис.3
Проаналізуємо інші станції, спираючись на графіки, побудовані за розрахованим статистичним величинам цих станціях.
Станція Лаїшеве:
На малюнку зображено середньодекадне значення числа днів із грозою. За графіком видно, що є два максимуми грозової діяльності, що припадають на кінець червня та кінець липня, рівні? = 2,71 і? = 2,52 відповідно. Також можна відзначити стрибкоподібне зростання та спадання, що говорить про сильну мінливість погодних умов у даному районі (рис.4).
Рис.4
Мода, дисперсія та середньоквадратичне відхилення мають найбільші значення в період з кінця червня до кінця липня, що відповідає періоду найбільшої грозової активності. Максимальна дисперсія спостерігалася у третій декаді липня та склала? 2 = 4,39 (рис.5).
Рис.5
Асиметрія та ексцес приймають свої найбільші значення у другій декаді квітня (А=5,57; Е=31), тобто. під час мінімальної грозової активності. На період максимальної грозової діяльності характеризуються малими значеннями (А=0,13; Е=-1,42) (рис.6).
Рис.6
Станція Кзань-опорна:
На цій станції відзначається плавне зростання та падіння грозової активності. Максимум триває з кінця червня до середини серпня, з абсолютним значенням = 2,61 (рис.7).
Рис.7
Модальні значення виражені досить сильно порівняно з попередніми станціями. Спостерігаються два основних максимуми М=3 у третій декаді червня та у другій декаді липня. У цей час досягають своїх максимумів дисперсія і середньоквадратичне відхилення (? 2 =3,51; ?=1,87) (рис.8).
Рис.8
Максимуми асиметрії та ексцесу відзначаються у другій декаді квітня (А=3,33; Е=12,58) та третій декаді вересня (А=4,08; Е=17,87). Мінімум спостерігався у третій декаді липня (А=0,005; Е=-1,47) (рис.9).
Рис.9
Станція Кайбіци:
Максимальне середнє значення у другій декаді червня? = 2,79. Спостерігається стрибкоподібний ріст і плавне зменшення грозової активності (рис.10).
Мал. 10
Модальне значення набуває максимального значення у другій декаді червня М=4. У цей час дисперсія і середньоквадратичне відхилення теж максимальні (? 2 =4,99; ?=2,23) (рис.11).
Рис.11
Асиметрія та ексцес характеризуються виключно великими значеннями у другій декаді квітня (А=4,87; Е=24,42) та третій декаді вересня (А=5,29; Е=28,00). Мінімум відзначався у першій декаді червня (А=0,52; Е=-1,16) (рис.12).
Рис.12
Станція Арск:
На цій станції спостерігається два максимуми грозової активності, що припадають на другу декаду червня і третю декаду липня = 2,02 (рис.13).
Рис.13
Максимуми дисперсії та середньоквадратичного відхилення припадають на другу декаду червня, що збігається з максимумом середнього значення грозової активності (? 2 = 3,97; ? = 1,99). Другий максимум грозової активності (третя декада липня) супроводжується також великими значеннями дисперсії та середньоквадратичного відхилення (? 2 = 3,47; ? = 1,86) (рис.14).
Рис.14
Відзначається виключно великі значення асиметрії та ексцесу у першій декаді квітня (А=6,40; Е=41,00). У вересні ці величини характеризуються також більшими значеннями (А=3,79; Е=13,59 у третій декаді вересня). Мінімум у другій декаді липня (А = 0,46; Е = -0,99) (рис.15).
Рис.15
Станція Агриз:
У зв'язку з малим обсягом вибірки на цій станції судити про грозову активність можемо лише умовно.
Спостерігається стрибкоподібна зміна грозової активності. Максимум досягається у третій декаді липня? = 2.92 (рис.16).
Рис.16
Добре виражено модальне значення. Спостерігається три максимуми М=2 у ​​третій декаді травня, у третій декаді червня та у другій декаді липня. Дисперсія та середньоквадратичне відхилення мають по два основні максимуми, що припадають на другу декаду червня та на третю декаду липня та рівні? 2 = 5,08; ? =2,25 і? 2 = 4,91; ? = 2,22 відповідно (рис.17).
Рис.17
Відзначається виключно великі значення асиметрії та ексцесу у всіх декадах квітня (А=3,61; Е=13,00). Два основних мінімуми: у другій декаді травня (А=0,42; Е=-1,46) та першій декаді липня (А=0,50; Е=-1,16) (рис.18).
Рис.18
Станція КДУ:
Максимум середнього значення посідає другу декаду червня і становить?=1,90. Також можна відзначити плавне зростання та зменшення грозової активності (рис.19).
Рис.19
Мода досягає своїх максимальних значень у другій декаді червня (М=2) та першій декаді липня (М=2). Дисперсія та середньоквадратичне відхилення приймають свої найбільші значення у третій декаді липня (? 2 = 2,75; ? = 1,66) (рис.20).
Рис.20
У квітні та у вересні асиметрія та ексцес характеризуються винятково великими значеннями: у першій декаді квітня - А=6,40; Е=41,00, у третій декаді вересня - А=4,35; Е = 17,79. Мінімум асиметрії та ексцесу у другій декаді липня (А=0,61; Е=-0,48) (рис.21).
Рис.21
3.2 Аналіз трендів

Невипадкова складова тимчасового ряду, що повільно змінюється, називається трендом.
В результаті обробки даних було отримано рівняння тренду на семи станціях місячними даними (Таблиці 8-14). Розрахунки проводилися за трьома місяцями: травень, липень та вересень.
На станції Тетюші відзначається за багаторічний період збільшення грозової активності у весняні та осінні місяці, та її зменшення у липні.
На ст. Лаїшево у травні за багаторічний період відзначається збільшення грозової активності (b = 0,0093), а у липні та вересні її зменшення.
На станціях Казань-Опорна, Кайбиці та Арск у всіх трьох місяцях коефіцієнт b позитивний, що відповідає збільшенню гроз.
На ст. Агриз, зважаючи на малий обсяг вибірки, говорити про характер зміни інтенсивності грозової діяльності важко, але можна відзначити, що у травні та липні відбувається зменшення, а у вересні – підвищення грозової активності.
На станції Казанського Державного Університету у травні та липні коефіцієнт b позитивний, а у вересні має знак мінус.
Максимальний коефіцієнт b у липні на ст. Кайбіци (b = 0,0577), мінімальний - у липні на ст. Лаїшеве.
3.3 Аналіз регресійної залежності числа днів із грозою від чисел Вольфа

Розрахунки проводилися центральному місяці літа - липню (Таблица15), в такий спосіб, вибірка становила N=40 липня з 1940 по 1980 року.
Зробивши відповідні розрахунки, отримали такі результати:
Імовірність довіри для коефіцієнта a всіх станціях практично нульова. Імовірність довіри для коефіцієнта b більшості станцій теж мало відрізняється від нуля і лежить у проміжку 0,23?b?1,00.
Коефіцієнт кореляції усім станціях, крім ст. Агриз, негативний і вбирається у значення r=0,5, коефіцієнт детермінації цих станціях вбирається у значення r 2 =20,00.
На ст. Агриз коефіцієнт кореляції позитивний та найбільший r=0,51, ймовірність довіри r 2 =25,90.
Висновок

В результаті про і т.д.................

Як формується грозова хмара?

Що відомо про грозову хмару?

В середньому вважається, що грозова хмара має діаметр 20 км і тривалість її життя становить 30 хв. У кожний момент на Земній кулі налічується, за різними оцінками від 1800 до 2000 хмар. Це відповідає щорічним 100 000 гроз на планеті. Приблизно 10% із них стають вкрай небезпечними.

У загальному випадку атмосфера повинна бути нестійкою - повітряні маси біля поверхні землі повинні бути легшими, ніж повітря, розташоване у більш високих шарах. Це можливо при прогріванні поверхні, що підстилає, і від неї – повітряної маси, а також наявність високої вологості повітря, що є найбільш поширеним. Можливо, внаслідок якихось динамічних причин, і надходження холодніших повітряних мас до вищележачих шарів. В результаті в атмосфері обсяги більш теплого і вологого повітря, отримуючи плавучість, спрямовуються вгору, а холодніші частинки з верхніх шарів опускаються вниз. Таким чином відбувається транспортування тепла, яке отримує поверхню землі від сонця, у шари атмосфери, що лежать вище. Така конвекція називається вільною. У зонах атмосферних фронтів, у горах вона посилюється і вимушеним механізмом підйому повітряних мас.

Водяна пара, що міститься в повітрі, що піднімається, остигає, конденсується, утворюючи хмари і виділяючи тепло. Хмари ростуть нагору, досягаючи висоти, де відзначається негативна температура. Частина хмарних частинок замерзає, частина залишається рідкими. І ті й інші мають електричний заряд. Крижані частинки зазвичай мають позитивний заряд, а рідкі – негативний. Частинки продовжують рости, і починають осідати в гравітаційному полі - утворюються опади. Відбувається накопичення об'ємних зарядів. У верхній частині хмари утворюється позитивний заряд, а внизу - негативний (насправді відзначається складніша структура, може відзначатися 4 об'ємні заряди, іноді вона може бути інверсійною, і т.д.). Коли напруженість електричного поля досягає критичного значення, відбувається розряд - ми бачимо блискавку і, через деякий час, чуємо звукову хвилю, що виходить від неї, або грім.

Зазвичай грозова хмара протягом життєвого циклу проходить три стадії: освіти, максимального розвитку та дисипації.

На першій стадії купчасті хмари ростуть вгору за рахунок висхідних рухів повітря. Купові хмари з'являються у вигляді красивих білих веж. На цій стадії немає опадів, але блискавки не виключаються. Це може тривати близько 10 хвилин.

На стадії максимального розвитку в хмарі, як і раніше, продовжуються висхідні рухи, але в той же час з хмари вже починають випадати опади, і з'являються сильні низхідні рухи. І коли цей низхідний охолоджений потік з опадами сягає землі, формується фронт рвучкості або лінія шквалів. Стадія максимального розвитку хмари – час найбільшої ймовірності сильної зливи, граду, частих блискавок, шквалів та смерчів. Хмара зазвичай має темне забарвлення. Ця стадія продовжується від 10 до 20 хвилин, але може бути і довше.

Зрештою, опади та низхідні потоки починають розмивати хмару. У поверхні землі лінія шквалів йде далеко від хмари, відрізаючи його від джерела живлення теплого і вологого повітря. Інтенсивність дощу зменшується, але блискавки ще продовжують становити небезпеку.

Зважаючи на досконалу непередбачуваність і величезну потужність блискавок(грозових розрядів), вони становлять потенційну небезпеку для численних енергооб'єктів. Сучасна наука накопичила великий обсяг теоретичної інформації та практичних даних про грозозахисті грозової діяльності, і це дозволяє вирішувати серйозні завдання, пов'язані з блискавкозахистом промислової та цивільної енергетичної інфраструктури. У цій статті розглядається фізична природа грозових явищта поведінка блискавок, знання яких буде корисним для облаштування ефективного грозозахисту та створення комплексної системи заземлення електричних підстанцій.

Природа блискавки та грозові хмари

У теплий сезон у середніх широтах під час руху циклону, при достатній вологості та сильних висхідних потоках повітря, часто відбуваються грозові розряди (блискавки). Причина цього явища природи полягає у величезній концентрації атмосферної електрики (заряджених частинок) у грозових хмарах, у яких при присутності висхідних потоків відбувається поділ негативних і позитивних зарядів з накопиченням заряджених частинок у різних частинах хмари. Сьогодні існує кілька теорій, що стосуються атмосферної електрики та електризації грозових хмар, як найважливіших факторів, що безпосередньо впливають на проектування та створення комплексного грозозахисту та заземлення енергооб'єктів.

За сучасними уявленнями утворення заряджених частинок у хмарах пов'язане з наявністю Землі електричного поля, що має негативний заряд. Поблизу поверхні планети напруженість електричного поля дорівнює 100 В/м. Ця величина практично скрізь однакова, немає залежності від часу і місця проведення вимірювань. Електричне поле Землі обумовлене наявністю в атмосферному повітрі вільних заряджених частинок, що у постійному русі.

Наприклад, в 1 см3 повітря налічується понад 600 позитивно заряджених частинок і така сама кількість негативно заряджених частинок. При віддаленні від земної поверхні повітря різко зростає щільність частинок, мають заряд. Поблизу землі електрична провідність повітря мізерно мала, але вже на висотах понад 80 км електропровідність зростає в 3 000 000 000 (!) разів і стає рівною провідності прісної води. Якщо провести аналогії, то в першому наближенні нашу планету можна порівняти з величезним конденсатором у формі кулі.

При цьому як обкладки приймається поверхня Землі та повітряний шар, зосереджений на висоті вісімдесяти кілометрів над земною поверхнею. Як ізолятор виступає частина атмосфери товщиною 80 км, яка має низьку електропровідність. Між обкладками віртуального конденсатора виникає напруга до 200 кВ, а сила струму може становити до 1 400 А. Подібний конденсатор має неймовірну потужність – близько 300 000 кВт (!). В електричному полі планети, на висоті між 1 та 8 кілометрами від рівня земної поверхні, конденсуються заряджені частинки та виникають грозові явища, які погіршують електромагнітну обстановку та є джерелом імпульсних перешкод у енергетичних системах.

Грозові явища класифікують на фронтальні та теплові грози. Рис. 1 показано схему появи теплової грози. Внаслідок інтенсивного опромінення сонячними променями розігрівається земна поверхня. Частина теплової енергії перетворюється на атмосферу і нагріває її нижні шари. Теплі повітряні маси розширюються та піднімаються вище. Вже на висоті двох кілометрів вони досягають області знижених температур, де відбувається конденсація вологи та виникають грозові хмари. Ці хмари складаються з мікроскопічних крапель води, що несуть у собі заряд. Як правило, грозові хмари утворюються в спекотні літні дні в післяобідній час і мають порівняно невеликі розміри.

Фронтальні грози утворюються за умов, коли стикаються фронтальними частинами два повітряні потоки з різною температурою. Потік повітря зі зниженою температурою опускається донизу, ближче до землі, а теплі повітряні маси спрямовуються вгору (Рис. 2). Грозові хмари формуються на висотах зі зниженою температурою, де відбувається конденсація вологого повітря. Фронтальні грози можуть мати досить велику протяжність і охоплювати значну площу.

При цьому фонова електромагнітна ситуація помітно спотворюється, наводячи імпульсні перешкоди в електричних мережах. Такі фронти рухаються зі швидкістю від 5 до 150 км/годину і вище. На відміну від теплових, фронтальні грози активні практично цілодобово та становлять серйозну небезпеку для промислових об'єктів, які не оснащені системою блискавкозахисту та ефективним заземленням. При конденсації в електричному полі холодного повітря утворюються поляризовані водяні краплі (рис. 3): у нижній частині крапель знаходиться позитивний заряд, у верхній – негативний.

За рахунок висхідних потоків повітря відбувається поділ водяних крапель: дрібніші піднімаються вгору, а великі падають нижче. При русі краплі нагору негативно заряджена частина краплі притягує позитивні заряди і відштовхує негативні. Через війну, крапля стає позитивно зарядженої т.к. поступово збирає позитивний заряд. Краплі, які падають униз, притягують до себе негативні заряди і в процесі падіння негативно заряджаються.

Аналогічно відбувається розподіл заряджених частинок у грозовому хмарі: у верхньому шарі накопичуються позитивно заряджені частинки, у нижньому – з негативно заряджені. Грозова хмара практично не є провідником, і через це протягом деякого часу заряди зберігаються. Якщо сильніше електричне поле хмари буде впливати на електричне поле "ясної погоди", воно змінить свій напрямок у місці розташування (рис. 4).

Розподіл заряджених частинок у хмарній масі вкрай нерівномірний:
в окремих точках густина має максимальне значення, а в інших – невелику величину. У місці скупчення великої кількості зарядів і утворюється сильне електричне поле з критичною напругою близько 25-30 кВ/см, виникають відповідні умови для утворення блискавок. Грозовий розряд блискавки подібний до іскри, що спостерігається в проміжку між електродами, що добре проводять електрику.

Іонізація атмосферного повітря

Атмосферне повітря складається із суміші газів: азоту, кисню, інертних газів та водяної пари. Атоми цих газів поєднуються в міцні та стійкі зв'язки, утворюючи молекули. Кожен атом – це ядро ​​із протонів, що має позитивний заряд. Навколо ядра обертаються електрони, що мають негативний заряд («електронна хмара»).

У кількісному співвідношенні заряд ядра та сумарний заряд електронів дорівнюють один одному. При іонізації електрони залишають атом (молекулу). У процесі атмосферної іонізації утворюються 2 заряджені частинки: позитивний іон (ядро з електронами) та негативний іон (вільний електрон). Як і багато фізичних явищ, іонізація вимагає деякої кількості енергії, яка називається енергією іонізації повітря.

Коли в повітряному шарі, утвореному 2 провідними електродами, виникне достатня напруга, всі вільні заряджені частинки під впливом напруженості електричного поля почнуть впорядкований рух. Маса електрона багаторазово (в 10 000...100 000 разів) менша за масу ядра. Внаслідок цього при русі вільного електрона в електричному полі повітряного шару швидкість цієї зарядженої частинки набагато більше швидкості ядра. Маючи значний імпульс, електрон легко відриває від молекул нові електрони, тим самим роблячи іонізацію інтенсивнішою. Дане явище зветься ударної іонізації (Рис. 5).

Проте при кожному зіткненні відбувається відрив електрона від молекули. У деяких випадках електрони переходять на нестійкі орбіти віддалені від ядра. Такі електрони отримують частину енергії від електрона, що зіткнувся, що призводить до збудження молекули (Рис. 6.).

Період «життя» збудженої молекули становить лише 10-10 секунд, після чого електрон повертається на колишню, більш стійку в енергетичному плані орбіту.

Коли електрон повертається на стабільну орбіту, збуджена молекула випромінює фотон. Фотон, своєю чергою, за певних умов може іонізувати інші молекули. Цей процес було названо фотоіонізацією (Рис. 7). Також є інші джерела фотоіонізації: космічні промені високої енергії, ультрафіолетові світлові хвилі, радіоактивне випромінювання та ін. (Рис. 8).

Як правило, іонізація молекул повітря відбувається за високих температур. При підвищенні температури молекули повітря та вільні електрони, що беруть участь у тепловому (хаотичному) русі, набувають більш високої енергії і частіше стикаються один з одним. Результатом подібних зіткнень є іонізація повітря, яка називається термоіонізацією. Однак, можуть відбуватися і зворотні процеси, коли заряджені частинки нейтралізують власні заряди (рекомбінація). У процесі рекомбінації відзначається інтенсивне випромінювання фотонів.

Освіта стримерів та коронного розряду

Коли в повітряному проміжку між зарядженими пластинами напруженість електричного поля збільшується до критичних величин, можливий розвиток ударної іонізації, яка є частою причиною високочастотних імпульсних перешкод. Її суть полягає в наступному: після іонізації електроном однієї молекули виникають два вільні електрони і один позитивний іон. Наступні зіткнення призводять до появи 4 вільних електронів і 3 іонів з позитивним зарядом.

Таким чином, іонізація набуває лавиноподібного характеру, що супроводжується утворенням величезної кількості вільних електронів та позитивних іонів (Рис. 9 і 10). Позитивні іони накопичуються біля негативного електрода, а негативно заряджені електрони переміщуються до позитивного електрода.

У процесі іонізації вільні електрони набувають більшої рухливості в порівнянні з іонами, тому останні можна умовно вважати нерухомими частинками. При переході електронів до позитивного електрода, позитивні заряди, що залишилися, мають сильний вплив на стан електричного поля, тим самим призводячи до зростання його напруженості. Велика кількість фотонів прискорює іонізацію повітря біля анода та сприяє виникненню вторинних електронів (Мал.11), які є джерелами повторних лавин (Мал.12).

Вторинні лавини, що виникли, рухаються до анода, де сконцентрований позитивний заряд. Вільні електрони прориваються крізь об'ємний позитивний заряд, приводячи до утворення досить вузького каналу (стримера), в якому знаходиться плазма. За рахунок відмінної провідності стример «подовжує» анод, при цьому процес утворення лавин вільних електронів прискорюється і відбувається подальше зростання напруженості електричного поля (Рис. 13 і 14), що рухаються у напрямку головної частини стримеру. Додаткові електрони перемішуються з позитивними іонами, знову призводячи до утворення плазми, завдяки якій подовжується канал стримеру.

Мал. 13. Зростання напруженості електричного поля супроводжується посиленням фотоіонізації та породжує нові лавини заряджених частинок.

Після заповнення стрімером вільного проміжку починається іскрова стадія розряду (Рис. 15), що характеризується надпотужною термоіонізацією простору і ультрапровідністю плазмового каналу.

Описаний процес утворення стримеру справедливий для невеликих проміжків, що характеризуються однорідним електричним полем. Проте за своєю формою всі електричні поля поділяються на однорідні, слабонеоднорідні та різко неоднорідні:

• У межах однорідного електричного поля напруженість уздовж силових ліній характеризується незмінною величиною. Як, наприклад, електричне поле в середній частині плоского конденсатора типу.
• У слабонеоднорідному полі значення напруженості, виміряні вздовж силових ліній, відрізняються не більше ніж 2...3 рази, подібне поле прийнято вважати слабонеоднорідним. Наприклад, електричне поле між двома розрядниками кулястої форми або електричне поле, що виникає між оболонкою екранованого екрану та його жилою.
• Електричне поле називається різко неоднорідним, якщо воно характеризується значним стрибками напруженості, що призводить до серйозного погіршення електромагнітної обстановки. У промислових електроустановках, як правило, електричні поля мають різко неоднорідну форму, що потребує перевірки пристроїв на електромагнітну сумісність.

У різко неоднорідному полі іонізаційні процеси збираються поруч із позитивним чи негативним електродом. Тому розряд неспроможна досягти іскрової стадії й у разі заряд формується як корони ( " коронний розряд " ). При подальшому збільшенні напруженості електричного поля в повітряному проміжку формуються стримери та виникає іскровий розряд. Так, якщо довжина проміжку становить один метр, то іскровий розряд виникає за напруженості поля, що становить близько 10 кВ/см.

Лідерна форма грозового розряду

При розмірах повітряного проміжку, що становлять кілька метрів, стримери, що формуються, не мають достатньої провідності для розвитку повноцінного розряду. По ходу руху стрімера утворюється грозовий розряд, що набуває лідерної форми. Частина каналу, яка називається лідером, заповнюється термічно іонізованими частинками. У каналі лідера конценрується значна кількість заряджених частинок, щільність яких набагато вища, середнього за стрімером. Ця властивість забезпечує хороші умови для формування стрімера та перетворення їх у лідер.

Мал. 16. Процес руху стримеру та виникнення негативного лідера (AB – початкова лавина; CD – стример, що утворився).

Рис. 16 продемонстровано класичну схему виникнення негативного лідера. Потік вільних електронів рухається від катода до аноду. Заштрихованими конусами показані лавини електронів, що утворилися, а у вигляді хвилястих ліній показані траєкторії випромінюваних фотонів. У кожній лавині при зіткненнях електронів повітря іонізується, при цьому фотони, що утворюються, надалі іонізують інші молекули повітря. Іонізація набуває масового характеру і численні лавини зливаються в один канал. Швидкість фотонів - 3*108 м/с, а швидкість електронів, що вільно рухаються, у фронтальній частині лавини дорівнює 1,5*105 м/с.

Розвиток стримеру відбувається швидше, ніж просування лавини з електронів. Рис. 16 показано, що за час проходження першої лавиною відстані AB на відрізку CD формується канал стримеру з ультрапровідністю по всій довжині. Стандартний стрімер рухається із середньою швидкістю 106-107 м/с. Якщо вільні електрони мають досить високу концентрацію, у каналі стримеру виникає інтенсивна термічна іонізація, що призводить до появи лідера – лінійної структури із плазмовою складовою.

У процесі руху лідера в його кінцевій частині утворюються нові стримери, які надалі теж переходять у лідер. Рис. 17 представлено розвиток негативного лідера в повітряному проміжку з неоднорідним електричним полем: лідер рухається каналом стрімера (Рис. 17а); після того, як завершується перетворення каналу стрімера на лідер, виникають нові лавини.

Мал. 17. Схема освіти та розвитку негативного лідера на протяжному проміжку.

Електронні лавини пересуваються по всьому повітряному проміжку (Мал. 17б) і утворюється новий стрімер (Мал. 17в). Як правило, стримери рухаються випадковими траєкторіями. При такому формуванні блискавичного розряду в протяжних повітряних проміжках навіть при невеликих напруженнях електричного поля (від 1000 до 2000 В/см) лідер швидко проходить значні відстані.

При досягненні лідером протилежного електрода завершується лідерна стадія грозового розряду і бере початок стадія зворотного (головного) розряду. При цьому від поверхні землі каналом лідера поширюється електромагнітна хвиля, завдяки якій потенціал лідера знижується до нульового значення. Таким чином, між електродами формується надпровідний канал, через який проходить грозовий розряд.

Стадії розвитку грозового розряду

Умови виникнення блискавки утворюються у частині грозового хмари, де скупчення заряджених частинок і напруженість електричного поля досягли порогових значень. У цій точці розвивається ударна іонізація і утворюються лавини електронів, потім під впливом фото-і термоіонізації виникають стримери, що перетворюються на лідери.

а – візуальне відображення; б - струмова характеристика.

Протяжність блискавки становить від сотні метрів і може сягати кількох кілометрів (середня довжина грозового розряду – 5 км). Завдяки лідерному типу розвитку блискавка здатна проходити значні відстані протягом частки секунди. Людське око бачить блискавку у вигляді безперервної лінії, що складається з однієї або декількох яскравих смуг білого, світло-рожевого або яскраво-блакитного кольору. За фактом, грозовий розряд – це кілька імпульсів, що включають дві стадії: лідерну та стадію зворотного розряду.

Рис. 18 показана розгортка грозових імпульсів за часом, на якій видно розряд лідерної стадії першого імпульсу, що розвивається у формі ступенів. У середньому, лінія щаблі дорівнює п'ятдесяти метрам, а затримка між сусідніми сходами сягає 30-90 мкс. Середня швидкість поширення лідера становить 105...106 м/с.

Ступінчаста форма розвитку лідера пояснюється тим, що для утворення провідного стримеру потрібен деякий час (пауза між ступенями). Наступні імпульси рухаються іонізованим каналом і мають яскраво-виражену стрілоподібну форму лідерної стадії. Після досягнення лідером 1-го імпульсу поверхні землі виникає іонізований канал, яким рухається заряд. У цей момент починається 2 стадія грозового розряду (зворотний розряд).

Головний розряд видно у формі безперервної яскравої лінії, що пронизує простір між грозовими хмарами і землею (лінійна блискавка). Після досягнення головним розрядом хмари зменшується світіння плазмового каналу. Ця фаза отримала назву післясвічення. В одному грозовому розряді відзначається до двадцяти повторних імпульсів, а тривалість розряду доходить до 1 і більше секунди.

У чотирьох із десяти випадків спостерігається багаторазовий грозовий розряд, що є причиною імпульсних перешкод у енергетичних мережах. У середньому відзначається 3...4 імпульси. Природа повторних імпульсів пов'язана з поступовим припливом зарядів, що залишилися в грозовій хмарі до плазмового каналу.

Виборча дія грозового розряду

Коли лідерний канал тільки починає розвиватися напруженість електричного поля в його головній частині визначається обсягом заряду лідера та скупченням об'ємних заряджених частинок, що знаходяться під хмарою. Пріоритетний напрямок розряду залежить від максимальної напруженості електричного поля. На значній висоті цей напрямок визначається лише каналом лідера (рис. 19).

Під час руху лідерного каналу грозового розряду у бік земної поверхні його електричне поле спотворюється полем землі та масивних наземних енергооб'єктів. Максимальні значення напруженості та напрямок поширення лідера блискавки визначаються як його власними зарядами, так і зарядами, що сконцентровані на землі, а також на штучних спорудах (Рис. 20).

Висота Н головки лідера над земною поверхнею, на якій проявляється суттєвий вплив на електричне поле лідера полів зарядів, що накопичилися у значній кількості на землі та на енергооб'єктах, здатне змінити напрямок руху лідера, називається висотою орієнтування грозового розряду.
Чим більше електричних зарядів знаходиться в каналі лідера, тим більшою висотою може виявитися зміна траєкторії руху блискавки.

На Рис.21 представлено рух головного розряду від земної поверхні до грозової хмари та поширення лідера у напрямку до землі (рівна поверхня).

Під час руху грозового розряду у бік висотної наземної споруди (опора ЛЕП або вежа) назустріч лідерному розряду, що розповсюджується з грозової хмари до землі, від наземної опори розвивається зустрічний лідер (Рис. 22.). При цьому головний розряд виникає у точці з'єднання лідерів і рухається в обох напрямках.

Мал. 22. Розвиток лідерної стадії (верх) та стадії головного розряду (низ) при ударі грозового розряду в металеву опору

Процес формування блискавки показує, що конкретне місце влучення грозового розряду визначається лідерної стадії. Якщо прямо під грозовою хмарою буде знаходитися висотна наземна споруда (наприклад, телевізійна вежа або опора лінії електропередач), то лідер, що формується, рухатиметься у напрямку до землі найкоротшим шляхом, тобто назустріч лідеру, який поширюється вгору від наземної споруди.

Виходячи з практичного досвіду, можна зробити висновок, що найчастіше блискавка потрапляє в ті енергооб'єкти, які мають ефективне заземлення та добре проводять електрику. При рівній висоті грозовий розряд ударяє в той об'єкт, який має якісніше заземлення та високу електричну провідність. При різній висоті енергооб'єктів і якщо ґрунт поряд з ними також має різний питомий опір, можливе попадання блискавки в нижчий об'єкт, розташований на ґрунті з кращою провідністю (рис. 23).

Мал. 23. Виборча поразка грозових розрядів: ґрунт з високою електропровідністю (а); ґрунт із зниженою провідністю (б).

Даний факт можна пояснити тим, що в процесі розвитку лідерної стадії струми провідності протікають шляхом з підвищеною провідністю, тому на окремих ділянках відбувається концентрація зарядів, що мають відношення до лідера. В результаті цього посилюється вплив електричного поля зарядів на земній поверхні на електричне поле лідера, що формується. Таким чином пояснюється вибірковість блискавок. Як правило, найчастіше уражаються ділянки ґрунту та наземні штучні споруди з високою провідністю. На практиці встановлено, що на високовольтних ЛЕП грозові розряди вражають не більше третини опор, розташованих у строго визначених місцях.

Теорія виборчої поразки грозовими розрядами земних об'єктів знайшла практичне підтвердження при облаштуванні грозозахисту та заземлення енергооб'єктів електричних підстанцій. Ті ділянки, які відрізняються низькою провідністю, набагато рідше зазнавали ударів блискавок. На рис. 24 представлене електричне поле між землею та грозовим хмарою до удару блискавки.

При поступовій зміні напруженості електричного поля грозової хмари провідність ґрунту забезпечує баланс кількості зарядів при зміні електричного поля хмари. При розряді блискавки відбувається настільки швидка зміна напруженості поля, що через низьку провідність ґрунту не встигає відбутися перерозподіл зарядів. Зосередження зарядів в окремих місцях веде до збільшення напруженості електричного поля між характерними місцями та грозовим хмарою (Рис. 25), тому розряд блискавки вибірково вдаряє у ці місця.

Це наочно підтверджує теорію вибірковості грозового розряду, за якою за схожих умов блискавки завжди потрапляють у місця, де є підвищена електропровідність грунту.

Головні параметри блискавки

Для характеристики грозових струмів використовуються такі параметри:

• Максимальна величина імпульсу струму блискавки.
• Ступінь крутості фронту грозового струму.
• Тривалість фронту імпульсу струму.
• Тривалість повного імпульсу.

Тривалість імпульсу струму блискавки – це час, необхідний проходження зворотним розрядом дистанції між землею грозовим хмарою (20...100 мкс). Фронт імпульсу струму блискавки знаходиться в діапазоні від 1,5 до 10 мкс.

Середня тривалість імпульсу струму грозового розряду має величину, що дорівнює 50 мкс. Це значення є стандартною величиною імпульсу струму блискавки при проведенні випробувань електричної міцності екранованих кабелів: вони повинні витримувати прямі удари блискавки і зберігати цілісність ізоляції. Для проведення випробувань міцності ізоляції при дії грозовими імпульсами напруги (випробування регламентовані ГОСТ 1516.2-76) прийнято стандартний імпульс грозових струмів напруги, продемонстрований на Рис. 26 (для зручності проведення розрахунків фактичний фронт приведений до еквівалентного косокутного).

На вертикальній осі розгортки імпульсного перенапруги на рівні 0,3 Umax і 0,9 Umax розмічаються контрольні точки, що з'єднуються прямою лінією. Перетин цієї прямої з тимчасовою віссю і з горизонтальною прямою, що стосується Umax, дозволяє визначити тривалість імпульсу Тф. Стандартний грозовий імпульс має значення 1,2/50: де Тф = 1,2 мкс, Ті = 50 мкс (повна тривалість імпульсу).

Ще одна важлива характеристика грозового імпульсу – швидкість наростання струму напруги на фронті імпульсу (крутість фронту, А*мкс). У таблиці 1 показано основні параметри грозових розрядів для рівнинній місцевості. У горах відзначається зменшення амплітуди коливань струмів блискавки (майже двічі) проти значеннями рівнин. Це пояснюється тим, що гори ближчі до хмар, тому в гірській місцевості блискавки виникають при значно меншій щільності заряджених частинок у грозових хмарах, що призводить до зменшення амплітудних значень струмів блискавки.

Згідно з даними таблиці при попаданні блискавки в опори високовольтних ЛЕП утворюються величезні струми – понад 200 кА. Однак подібні грозові розряди, що викликають значні струми, відзначаються вкрай рідко: струми понад 100 кА виникають не більше ніж у 2% випадків від загальної кількості грозових розрядів, а струми понад 150 кА – менше ніж 0,5% випадків. Імовірнісний розподіл амплітудних значень струмів блискавки в залежності від амплітудних значень струмів показано на рис. 27. Близько 40% всіх грозових розрядів мають струми, що не перевищують 20 кА.

Мал. 28. Криві ймовірнісного розподілу (в %) крутості фронту імпульсу грозового струму. Крива 1 – для рівнинних територій; крива 2 – для гірських умов.

Від фактичної крутості фронту імпульсного струму грозового розряду залежить рівень імпульсних перешкод та перенапруг, що з'являються на енергооб'єктах. Ступінь крутості варіює у широкому діапазоні та має слабку кореляцію з амплітудними значеннями грозових струмів. На рис. 28 показано картина імовірнісного розподілу рівня крутості фронтального імпульсу струму блискавки на рівнині (крива 1) та в горах (крива 2).

Вплив струмів грозового розряду

Під час проходження струмів блискавки через різні об'єкти останні піддаються механічним, електромагнітним та тепловим впливам.
Значне тепловиділення здатне зруйнувати металеві провідники невеликих перерізів (наприклад, плавкі вставки запобіжників або телеграфні дроти). Для визначення критичного значення струму блискавки Iм (ка), при якому відбувається плавлення або навіть випаровування провідника, використовуються наступна формула

k – питомий коефіцієнт, що залежить від матеріалу провідника (мідь 300...330, алюміній 200...230, сталь 115...440).
Q – поперечний переріз провідника, мм2;
tm - Тривалість імпульсу струму блискавки, мкс.

Найменший переріз провідника (блискавковідведення), що гарантує його збереження при розряді блискавки в енергооб'єкт, становить 28 мм2. При максимальних значеннях струму сталевий провідник аналогічного перерізу за лічені мікросекунди нагрівається до сотень градусів, проте зберігає цілісність. При впливі каналу блискавки на металеві деталі можуть оплавитися на глибину до 3-4 мм. Обриви окремих дротів біля тросів грозозахисту на ЛЕП часто походять від перепалу грозовим розрядом у точках торкання каналу блискавки та троса.

З цієї причини сталеві блискавковідводи мають значні перерізи: троси грозозахисту повинні бути в перерізі не менше 35 мм2, а стрижневі блискавковідведення не менше 100 мм2. При впливі каналу блискавки на горючі та легкозаймисті матеріали (дерево, солома, паливно-мастильні матеріали, газоподібне паливо та ін.) можуть виникати вибухи та пожежі. Механічне вплив струму грозових розрядів знаходить свій прояв у руйнуванні дерев'яних, цегляних та кам'яних конструкцій, в яких відсутня грозозахист та повноцінне заземлення.

Розщеплення дерев'яних опор ЛЕП пояснюється тим, що струм блискавки, рухаючись по внутрішній структурі деревини, породжує рясне виділення водяної пари, яка своїм тиском розриває волокна деревини. У дощову погоду розщеплення деревини менше, ніж суху. Так як мокра деревина характеризується кращою провідністю, тому струм блискавки проходить в основному по поверхні деревини, не завдаючи істотних збитків дерев'яним конструкціям.

При блискавому розряді з дерев'яних опор нерідко вириваються шматки деревини товщиною до трьох і шириною до п'яти сантиметрів, а в окремих випадках блискавка розколює навпіл стійки та траверси опор необладнаних заземленням. При цьому металеві елементи ізоляторів (болти та гаки) вилітають зі своїх місць і падають на ґрунт. Одного разу удар блискавки був такої сили, що величезна тополя заввишки близько 30 м перетворилася на купу дрібних тріски.

Проходячи крізь вузькі щілини та невеликі отвори, грозові розряди, роблять значні руйнування. Наприклад, струми блискавки легко деформують трубчасті розрядники, встановлені на ЛЕП. Навіть класичні діелектрики (камінь та цегла) піддаються руйнівному впливу потужних розрядів. Електростатичні сили ударного характеру, які є у зарядів, що залишилися, легко руйнують товстостінні цегляні і кам'яні споруди.

Під час стадії головного розряду блискавки поряд з місцем її удару в провідниках та металевих конструкціях енергетичних об'єктів виникають імпульсні наведення та перенапруги, які проходячи через заземлення енергооб'єктів, створюють високочастотні імпульсні перешкоди та значне падіння напруги, що досягає 1000 і більше кВ. Грозові розряди можуть відбуватися не тільки між грозовими хмарами та землею, а й між окремими хмарами. Подібні блискавки абсолютно безпечні для персоналу та обладнання енергооб'єктів. У той же час грозові розряди, що сягають землі, становлять серйозну небезпеку для людей і технічних пристроїв.

Грозова діяльність біля РФ

У різних частинах нашої країни інтенсивність грозової діяльності має суттєві відмінності. У північних районах відзначається найслабша грозова активність. При просуванні на південь спостерігається зростання грозової діяльності, що характеризується кількістю днів у році, коли були грози. Середня тривалість гроз за один грозовий день біля Російської Федерації становить від 1,5 до 2 годин. Грозова активність для будь-якої точки РФ встановлюється за спеціальними метеорологічними картами грозової діяльності, які складаються на підставі даних багаторічних спостережень метеорологічних станцій (Рис. 29).

Цікаві відомості про блискавки:

• У районах, де грозова активність становить 30 годин на рік, загалом однією квадратний кілометр земної поверхні припадає 1 удар блискавки протягом двох років.
• Кожну секунду поверхня нашої планети зазнає понад 100 ударів блискавок.