Детальный анализ опасностей и средств защиты от них. Молния

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

МО́ЛНИЯ, гигантский электрический искровой разряд в атмосфере, сопровождающийся обычно яркой вспышкой света и громом. Чаще всего наблюдаются линейные молнии — разряды между грозовыми облаками  (внутриоблачные) или между облаками и земной поверхностью (наземные). Процесс развития наземной молнии состоит из несколько стадий. На первой стадии в зоне, где электрическое поле достигает критического значения, начинается ударная ионизация, создаваемая вначале свободными электронами, всегда имеющимися в небольшом количестве в воздухе, которые под действием электрического поля приобретают значительные скорости по направлению к земле и, сталкиваясь с атомами воздуха, ионизуют их. Таким образом, возникают электронные лавины, переходящие в нити электрических разрядов — стримеры, представляющие собой хорошо проводящие каналы, которые, сливаясь, дают начало яркому термоионизованному каналу с высокой проводимостью — ступенчатому лидеру молнии. Движение лидера к земной поверхности происходит ступенями в несколько десятков метров со скоростью около 5·10⁷ м/с, после чего его движение приостанавливается на несколько десятков мкс, а свечение сильно ослабевает; затем в последующей стадии лидер снова продвигается на несколько десятков метров. Яркое свечение охватывает при этом все пройденные ступени; затем следуют снова остановка и ослабление свечения. Эти процессы повторяются при движении лидера до поверхности земли со средней скоростью 2·10⁵ м/с. По мере продвижения лидера к земле напряженность поля на его конце усиливается и под его действием из выступающих на поверхности Земли предметов выбрасывается ответный стример, соединяющийся с лидером. Эта особенность молний используется для создания молниеотвода. В заключительной стадии по ионизованному лидером каналу следует обратный, или главный, разряд молнии, характеризующийся токами от десятков до сотен тысяч А, яркостью, заметно превышающей яркость лидера, и большой скоростью продвижения, вначале доходящей до 10⁸ м/с, а в конце уменьшающейся до 10⁷ м/с. Температура канала при главном разряде может превышать 25 000 °С. Длина канала наземной молнии 1—10 км, диаметр — несколько см. После прохождения импульса тока ионизация канала и его свечение ослабевают. В финальной стадии ток молнии может длиться сотые и даже десятые доли секунд, достигая сотен и тысяч А. Такие молнии называют затяжными, они наиболее часто вызывают пожары.  
Главный разряд разряжает нередко только часть облака. Заряды, расположенные на больших высотах, могут дать начало новому (стреловидному) лидеру, движущемуся непрерывно со средней скоростью 10⁶ м/с. Яркость его свечения близка к яркости ступенчатого лидера. Когда стреловидный лидер доходит до поверхности земли, следует второй главный удар, подобный первому. Обычно молния включает несколько повторных разрядов, но их число может доходить и до нескольких десятков. Длительность многократной молнии может превышать 1 секунду. Смещение канала многократной молнии ветром создает «ленточную» молнию — светящуюся полосу.  
Внутриоблачные молнии включают в себя обычно только лидерные стадии; их длина от 1 до 150 км. Доля внутриоблачных молний растет по мере смещения к экватору, меняясь от 50% в умеренных широтах до 90% в экваториальной полосе. Прохождение молний сопровождается изменениями электрических и магнитных полей и радиоизлучением — атмосфериками. Вероятность поражения молнией наземного объекта растет по мере увеличения его высоты и с увеличением электропроводности почвы на поверхности или на некоторой глубине (на этих факторах основано действие молниеотвода). Если в облаке существует электрическое поле, достаточное для поддержания разряда, но недостаточное для его возникновения, роль инициатора молнии может выполнить длинный металлический трос или самолет — особенно, если он сильно электрически заряжен. Таким образом иногда «провоцируются» молнии в слоисто-дождевых и мощных кучевых облаках.  
Особый вид молний — шаровая молния, светящийся сфероид, обладающий большой удельной энергией, образующийся нередко вслед за ударом линейной молнии.

ЛЮДИ И МОЛНИЯ. ВЛИЯНИЕ  МОЛНИИ НА ОРГАНИЗМ ЧЕЛОВЕКА

Молнии  — серьёзная угроза для жизни людей. Поражение человека или животного молнией часто происходит на открытых пространствах, так как электрический ток идёт по кратчайшему пути «грозовое облако-земля». Часто молния попадает в деревья и трансформаторные установки на железной дороге, вызывая их возгорание. Поражение обычной линейной молнией внутри здания невозможно, однако бытует мнение, что так называемая шаровая молния может проникать через щели и открытые окна. Обычный грозовой разряд опасен для телевизионных и радиоантенн, расположенных на крышах высотных зданий, а также для сетевого оборудования.

В организме пострадавших отмечаются такие же патологические изменения, как при поражении электротоком. Жертва теряет сознание, падает, могут  отмечаться судороги, часто останавливается  дыхание и сердцебиение. На теле обычно можно обнаружить «метки тока», места входа и выхода электричества. В случае смертельного исхода причиной прекращения основных жизненных  функций является внезапная остановка  дыхания и сердцебиения, от прямого  действия молнии на дыхательный и  сосудодвигательный центры продолговатого мозга. На коже часто остаются так  называемые знаки молнии, древовидные  светло-розовые или красные полосы, исчезающие при надавливании пальцами (сохраняются в течение      1 — 2 суток после смерти). Они — результат расширения капилляров в зоне контакта молнии с телом.

При поражении молнией первая медицинская  помощь должна быть неотложной. В тяжёлых  случаях (остановка дыхания и  сердцебиения) необходима реанимация, её должен оказать, не ожидая медицинских  работников, любой свидетель несчастья. Реанимация эффективна только в первые минуты после поражения молнией, начатая через 10 — 15 минут она, как правило, уже не эффективна. Экстренная госпитализация необходима во всех случаях.

ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ. ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ. 

В настоящее время наибольшее количество данных имеется по максимальным значениям тока молнии, измерение  которой осуществляется простейшими  измерительными приборами - магниторегистраторами, которые представляют собой цилиндрические стерженьки, изготовленные из стальных опилок или проволочек, запрессованных в пластмассу. Магниторегистраторы  укрепляются вблизи возвышающихся  объектов (молниеотводы, опоры линий  передач) и располагаются вдоль  силовых линий магнитного поля, которое  возникает при прохождении тока молнии через объект. Так как для  изготовления регистраторов применяются  материалы, обладающие большой коэрцитивной силой, они сохраняют большую  остаточную намагниченность. Измеряя  эту намагниченность, можно с  помощью градуировочных кривых определить максимальное значение на магничивающего тока. Измерения магниторегистраторами  не обеспечивают большой точности, однако этот недостаток частично компенсируется огромным количеством измерений, которые  к настоящему времени исчисляются десятками тысяч. Располагая вблизи от поражаемого объекта рамку, замкнутую на индуктивную катушку, можно измерить крутизну тока молнии с помощью магниторегистратора, помещенного внутри катушки. Измерения показали, что токи молнии изменяются в широких пределах от нескольких килоампер до сотен килоампер, поэтому результаты измерения представляются в виде кривых вероятностей (функций распределения) токов молнии, на которых по оси абсцисс откладывается вероятность появления токов молнии с максимальным значением, превышающим значение, указываемое ординатой. В Украине при расчетах грозозащиты используется кривая Для горных местностей ординаты кривой уменьшаются в 2 раза, так как при малых расстояниях от земли до облаков молния возникает при меньшей плотности зарядов в скоплениях, т. е. вероятность больших токов уменьшается. Значительно большие трудности представляет экспериментальное определение крутизны и длительности импульса тока молнии, поэтому количество экспериментальных данных по этим параметрам относительно невелико. Длительность импульса тока молнии в основном определяется временем распространения обратного разряда от земли до облака и в связи с этим изменяется в относительно узких пределах от 20 до 80-100 мкс. Средняя длительность импульса тока молнии близка к 50 мкс, что и определило выбор стандартного импульса. Наиболее важными с точки зрения оценок грозовой стойкости РЭС являются: величина переносимого молнией заряда, ток в канале молнии, число повторных ударов по одному каналу и интенсивность грозовой деятельности. Все эти параметры определяются не однозначно и носят вероятностный характер. Заряд, переносимый молнией, колеблется в процессе разряда в пределах от долей кулона до нескольких десятков кулон. Средний заряд, опускаемый в землю многократной молнией, равен 15 - 25 Кл. Учитывая, что в среднем разряд молнии содержит три компоненты, следовательно, во время одной компоненты в землю переносится около 5 - 8 Кл. Из них в канал лидера стекает около 60% всего данного скопления зарядов, что составляет 3 - 5 Кл. Удар молнии в равнинные участки поверхности земли несет заряд 10 - 50 Кл (в среднем 25 Кл), при ударах молнии в горах - заряд 30 - 100 Кл (в среднем 60 Кл), при разрядах в телевизионные башни заряд достигает 160 Кл. При разрядах молнии в землю в подавляющем большинстве (85 - 90%) в землю переносится отрицательный заряд. Заряд, стекающий в землю во время многократной молнии, изменяется в пределах от долей кулона до 100 Кл и более. Среднее значение этого заряда близко к 20 Кл. Заряд, спускаемый в землю во время гроз, по-видимому, играет существенную роль в поддержании отрицательного заряда земли. Интенсивность грозовой деятельности в различных климатических районах различается очень сильно. Как правило, количество гроз в течение года минимально в северных районах и постепенно увеличивается к югу, где повышенная влажность воздуха и высокая температура способствуют образованию грозовых облаков. Однако эта тенденция соблюдается не всегда. Существуют очаги грозовой деятельности и в средних широтах (например, в районе Киева), где создаются благоприятные условия для формирования местных гроз. Интенсивность грозовой деятельности принято характеризовать числом грозовых дней в году или общей годовой продолжительностью гроз в часах. Последняя характеристика более правильна, так как число ударов молнии в землю зависит не от числа гроз, а от их общей продолжительности. Число грозовых дней или часов в году определяется на основании многолетних наблюдений метеорологических станций, обобщение которых позволяет составить карты грозовой деятельности, на которые наносятся линии равной продолжительности гроз - изокеранические линии. Средняя продолжительность гроз за один грозовой день для территории европейской части России и Украины 1,5-2 ч.

МЕТОДЫ  И СРЕДСТВА ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ.

До изобретения электричества  и громоотвода люди боролись с  разрушительными последствиями  ударов молний заклинаниями. В Европе действенным средством борьбы считался непрерывный колокольный звон во время грозы. Согласно статистике, итогом 30-летней борьбы с молниями в Германии стало разрушение 400 колоколен и  гибель 150 звонарей.

Первым человеком, придумавшим  эффективный способ стал ученыйСША  Бенджамин Франклин - универсальный  гений своей эпохи (1706-1790).

Как Франклин отклонил молнию. К счастью, большинство разрядов молнии происходят между облаками и поэтому угрозы не представляют. Однако считается, что  каждый год молнии убивают более  тысячи людей по всему миру. По крайней  мере, в США, где ведется такая  статистика, каждый год от удара  молнии страдают около 1000 человек и  более ста из них погибают. Ученые давно пытались защитить людей от этой "кары божьей". Например, изобретатель первого электрического конденсатора (лейденской банки) Питер ван Мушенбрук (1692-1761) в статье об электричестве, написанной для знаменитой французской Энциклопедии, защищал традиционные способы предотвращения молнии - колокольный звон и стрельбу из пушек, которые, как он считал, оказываются  довольно эффективными.

Бенджамин Франклин, пытаясь защитить Капитолий столицы штата Мериленд, в 1775 году прикрепил к зданию толстый  железный стержень, который возвышался над куполом на несколько метров и был соединен с землей. Ученый отказался патентовать свое изобретение, желая, чтобы оно как можно скорее начало служить людям.

Весть о громоотводе Франклина  быстро разнеслась по Европе, и его  выбрали во все академии, включая  и Российскую. Однако в некоторых  странах набожное население встретило  это изобретение с возмущением. Сама мысль, что человек так легко  и просто может укротить главное  оружие "божьего гнева", казалась кощунственной. Поэтому в разных местах люди из благочестивых соображений  ломали громоотводы. Любопытный случай произошел в 1780 году в небольшом  городке Сент-Омер на севере Франции, где горожане потребовали снести железную мачту громоотвода, и дело дошло до судебного разбирательства. Молодой адвокат, защищавший громоотвод от нападок мракобесов, построил защиту на том, что и разум человека, и  его способность покорять силы природы  имеют божественное происхождение. Все, что помогает спасти жизнь, во благо - доказывал молодой адвокат. Он выиграл  процесс и снискал большую  известность. Адвоката звали Максимилиан  Робеспьер. Ну а сейчас портрет изобретателя громоотвода - самая желанная репродукция  в мире, ведь она украшает известную  всем стодолларовую купюру.

Как можно защититься от молнии с  помощью водяной струи и лазера. Недавно был предложен принципиально  новый способ борьбы с молниями. Громоотвод создадут из... струи жидкости, которой будут стрелять с земли  непосредственно в грозовые облака. Громоотводная жидкость представляет собой солевой раствор, в который  добавлены жидкие полимеры: соль предназначена  для увеличения электропроводности, а полимер препятствует "распаду" струи на отдельные капельки. Диаметр  струи составит около сантиметра, а максимальная высота - 300 метров. Когда  жидкий громоотвод доработают, им оснастят спортивные и детские площадки, где  фонтан включится автоматически, когда  напряженность электрического поля станет достаточно высокой, а вероятность  удара молнии - максимальной. По струе  жидкости с грозового облака будет  стекать заряд, делая молнию безопасной для окружающих. Аналогичную защиту от разряда молнии можно сделать  и с помощью лазера, луч которого, ионизируя воздух, создаст канал  для электрического разряда вдали  от скопления людей.

Может ли молния сбить нас с пути? Да, если вы пользуетесь компасом. В  известном романе Г. Мелвила "Моби Дик" описан именно такой случай, когда разряд молнии, создавший сильное  магнитное поле, перемагнитил стрелку  компаса. Однако капитан судна взял швейную иглу, ударил по ней, чтобы  намагнитить, и поставил ее вместо испорченной  стрелки компаса.

Может ли вас поразить молния внутри дома или самолета? К сожалению, да! Ток грозового разряда может  войти в дом по телефонному  проводу от рядом стоящего столба. Поэтому при грозе старайтесь не пользоваться обычным телефоном. Считается, что говорить по радиотелефону  или по мобильному безопасней. Не следует  во время грозы касаться труб центрального отопления и водопровода, которые  соединяют дом с землей. Из этих же соображений специалисты советуют при грозе выключать все электрические  приборы, в том числе компьютеры и телевизоры.

Что касается самолетов, то, вообще говоря, они стараются облетать районы с  грозовой активностью. И все-таки в  среднем раз в год в один из самолетов попадает молния. Ее ток  поразить пассажиров не может, он стекает  по внешней поверхности самолета, но способен вывести из строя радиосвязь, навигационное оборудование и электронику.

Медики полагают, что человек, выживший после удара молнии (а таких  людей немало), даже не получив сильных  ожогов головы и тела, впоследствии может получить осложнения в виде отклонений в сердечно-сосудистой и  невралгической деятельности от нормы. Впрочем, может и обойтись.

Люди давным-давно поняли, какой  вред может принести удар молнии, и  придумали от нее защиту. Но опять-таки назвали ее почему-то громоотводом, хотя он “отводит” не гром, а молнию. Громоотвод - это железный шест, который  помещают как можно выше. Молнии ведь надо сначала проложить себе дорожку в воздухе. Понятное дело, что чем короче дорожка, тем проще  ее сделать. А молния - ужасная лентяйка, всегда ищет самый короткий путь и  ударяет в самый высокий (и, значит, самый близкий к ней) предмет. Когда молния “видит” поблизости высокий железный шест, приготовленный для нее людьми, она прокладывает дорожку именно к нему. А громоотвод проводом соединен с землей, и все  электричество молнии, не причинив никому вреда, уходит в землю. А вот  раньше, давным-давно, в городах и  селах от ударов молний бывали большие  пожары.

Рабби Йеуда Нахшони приводит комментарий  Раббейну Бахья (умер в 1340 г.), который  считал, что Вавилонская башня  должна была быть своего рода громоотводом против молний, которыми Всевышний  намеревался сжечь землю. В энциклопедии сказано, что громоотвод изобрел  Бенджамин Франклин (1706-1790) в Америке. Не спорим, он действительно интересовался  этим вопросом, сумел использовать накопленный опыт и дать практическое применение своим идеям. Однако, как  мы видим, еще во время составления  Мишны (1500 лет до этого) уже использовались громоотводы. Поэтому можно считать, что первенство, приписываемое Франклину, на деле является довольно сомнительным. В далекое прошлое уходят воспоминания о вещах, ставших для нас привычными, и не всегда удается найти того, кто был первым, кто открыл для нас то, без чего свою жизнь мы уже не можем и представить.

ИНСТРУКЦИЯ  ПО БЕЗОПАСНОСТИ

Чаще всего молния ударяет на открытых местах или в одиноко  стоящее дерево, несколько реже в  помещение и еще реже в лесу, поэтому при приближении грозового  фронта нужно заранее остановиться и подыскать безопасное место.

В квартире, доме, здании: Если во время грозы вы находитесь дома, не подходите близко к электропроводке, антеннам, закройте окна, выключите телевизор, радио и другие электробытовые приборы и не касайтесь металлических предметов. В частном доме (даче) особую опасность при грозе представляет топящаяся печь, поскольку выходящий из трубы дым обладает высокой электропроводностью и может притянуть к себе электрический разряд. По этой же причине при грозе следует тушить костер. В доме ликвидируйте сквозняки, плотно закройте окна, дымоходы, отсоедините электроприборы от источников питания, отключите наружную антенну, не располагайтесь у окна, печи, камина, массивных металлических предметов, на крыше и на чердаке.

На природе: Отдыхая на природе до начала дождя хорошо закрепите палатку, все металлические предметы: посуду, лопаты, пилы, молотки, мангал) сложите в 15-20 м от людей, лягте в палатку и переждите грозу в ней. Если палатки нет, тогда изолируйтесь от почвы. Положите под себя полиэтилен, ветки, камень. Сядьте и сгруппируйтесь, опустив голову на согнутые в коленях ноги, ступни ног соедините вместе, накройтесь полиэтиленом, так как мокрое тело и одежда повышают опасность поражения молнией.

В лесу: В лесу укройтесь среди невысоких деревьев с густыми кронами. Чаще всего молния бьет в дубы, тополя, вязы, реже в ель и сосну, совсем редко в березы и клены. Опасно при грозе находиться на опушках больших полянах, в местах, где течет вода. Постарайтесь встретить грозу на поляне, не ищите защиты под кронами высоких или отдельно стоящих деревьев, не прислоняйтесь к их стволам, поскольку прямое попадание молнии в дерево может разбить его в щепки и травмировать рядом стоящих людей. Не располагайтесь у костра: столб горячего воздуха является хорошим проводником электричества. Не влезайте на высокие деревья. В лесу наиболее безопасным местом будет низина с массивом из невысоких деревьев. Нельзя оставаться на поляне, особенно вблизи одиноко стоящего дерева.