Э.М. Базелян, Ю.П. Райзер
ФИЗИКА МОЛНИИ И МОЛНИЕЗАЩИТЫ
Излагаются современные представления о разряде молнии, ее опасных воздействиях и способах защиты от них. Рассматриваются механизмы инициирования и развития первого лидера молнии, главной стадии, сопровождающейся разрушительным током в месте удара, эффекты притяжения молнии к высоким сооружениям, воздействие на линии электропередач, подземные кабели, самолеты и др., как прямое, так и в результате электромагнитных наводок от удаленных разрядов. Критически обсуждаются результаты наблюдений и измерений с целью извлечь полезное для понимания молниевых механизмов. Рассматриваются средства защиты от молний, по возможности даются практические рекомендации. Ясное, доступное изложение сложного материала с максимальным использованием простых физических оценок, наряду с приведением результатов численного моделирования, делают книгу полезной не только для специалистов и тех, кто должен предусмотреть весь спектр опасностей со стороны молнии для объектов новой техники, но и для обучения. Для студентов и научных работников — физиков и геофизиков, а также для студентов и инженеров в областях энергетики, электро, радио и космической техники, авиации.
Содержание.
Г л а в а 1. Первое знакомство с молнией, ее опасными воздействиями и защитой от них
1.1. Типы молний.
1.2. Компоненты разряда молнии.
1.3. Основные фазы первого и последующих компонентов молнии.
1.4. Непрерывный и ступенчатый лидеры.
1.5. Как часто поражает молния?
1.5.1. Удары молнии в наземные сооружения.
1.5.2. Поражение человека.
1.6. Опасные воздействия молнии.
1.6.1. Последствия прямого удара.
1.6.2. Индуцированные перенапряжения.
1.6.3. Электростатическая индукция.
1.6.4. Занос высокого потенциала.
1.6.5. Прорыв тока молнии по искровому каналу, скользящему вдоль поверхности грунта.
1.6.6. Надежны ли молниеотводы?
1.7. Молния — источник электрической энергии?
1.8. Тем, кто намерен читать дальше.
Глава 2. Стримерно-лидерный процесс в длинной искре.
Стримерно-лидерный процесс в длинной искре.
2.1. Что нужно знать о длинной искре исследователям молнии.
2.2. Длинный стример.
2.2.1. Процесс в стримерной головке как волна ионизации.
2.2.2. Оценка параметров стримера.
2.2.3. Ток и поле в канале стримера за головкой.
2.2.4. Нагрев газа в стримерном канале.
2.2.5. Электронно-молекулярные реакции в холодном воздухе и распад стримерной плазмы.
2.2.6. До какой длины вырастает стример.
2.2.7. Стример в однородном внешнем поле и в «отсутствие» электродов.
2.3. Что требуется для длительного роста плазменного канала или принципы лидерного процесса.
2.3.1. Необходимость нагрева газа.
2.3.2. Необходимость стримерного сопровождения.
2.3.3. Механизм стягивания канала.
2.3.4. Скорость лидера.
2.4. Стримерная зона и чехол лидера.
2.4.1. Заряд и поле в стримерной зоне.
2.4.2. Количество стримеров и частота их следования от лидерной головки.
2.4.3. Ток лидерной головки.
2.4.4. Ионизационные процессы в чехле.
2.5. Канал длинного лидера.
2.5.1. Поле и состояние плазмы.
2.5.2. Баланс энергии в канале и сходство с дугой.
2.6. Напряжение, нужное длинной искре.
2.7. Отрицательный лидер.
Глава 3. Фактические данные о молнии.
3.1. Электрическое поле в атмосфере при разряде молнии.
3.2. Феноменология лидера первого компонента молнии.
3.2.1. Положительные лидеры.
3.2.2. Отрицательные лидеры.
3.3. Феноменология лидеров последующих компонентов.
3.4. Ток лидеров молнии.
3.5. Изменение электрического поля в лидерной стадии молнии.
3.6. Как быть с дистанционными методами?
3.6.1. Влияние формы лидерного канала.
3.6.2. Влияние распределения заряда вдоль канала лидера.
3.7. Главная стадия молнии.
3.7.1. Скорость волны нейтрализации .
3.7.2. Амплитуда тока.
3.7.3. Формам временные параметры импульса тока.
3.7.4. Электромагнитное поле.
3.8. Полная длительность вспышки молнии, процессы в межкомпонентных паузах.
3.9. Заряд и приведенная энергия молниевой вспышки .
3.10. Температура и радиус молнии.
3.11. Заключение: что дают и чего не дают измерения молнии.
Глава 4. Физические процессы при разряде молнии.
4.1. Восходящий положительный лидер.
4.1.1. Условия возникновения.
4.1.2. Рост лидера и его ток.
4.1.3. Проникновение внутрь облака и остановка.
4.1.4. Влияние ветвлений и перемена полярности лидера.
4.2. Молнии, возбуждаемые изолированным от земли объектом.
4.2.1. Двухлидерная система.
4.2.2. Рост взаимосвязанных лидеров.
4.3. Нисходящий лидер первого компонента молнии.
4.3.1. Зарождение в облаках.
4.3.2. Развитие отрицательного лидера и доставляемый им к земле потенциал.
4.3.3. Влияние ветвлений.
4.3.4. Особенности положительного нисходящего лидера.
4.3.5. Встречный лидер.
4.4. Главная стадия молнии.
4.4.1. Существо процесса.
4.4.2. Выводы из анализа точных решений уравнений длинной линии.
4.4.3. Преобразование канала во время главной стадии.
4.4.4. Главная стадия молнии как волна преобразования лидерного канала.
4.4.5. Возникающие проблемы и возможные пути их решения.
4.4.6. Особенности главной стадии положительной молнии.
4.5. Аномально большие импульсы тока положительных молний.
4.6. Ступенчатость отрицательного лидера.
4.6.1. Формирование и параметры ступени.
4.6.2. Энергетическое влияние ступенчатости на канал лидера.
4.7. Последующие компоненты. М-компонент.
4.8. Последующие компоненты. Проблема стреловидного лидера.
4.8.1. Стример в «волноводе»?
4.8.2. Передний край нелинейной диффузионной волны.
4.8.3. О возможности превращения диффузионной волны в волну ионизации.
4.8.4. Волна ионизации в проводящей среде.
4.8.5. Стреловидный лидер — стример в «непроводящем волноводе».
4.9. Об экспериментальной проверке теории последующих компонентов.
Глава 5. Притяжение молнии к наземным объектам.
5.1. Принцип эквидистантности.
5.2. Электрогеометрический метод.
5.3. Вероятностный подход к определению точки удара молнии.
5.4. Лабораторные исследования процесса ориентировки.
5.5. Экстраполяция к молнии.
5.6. О механизме ориентирующего действия внешнего поля на лидер.
5.7. Выбор молнией точки удара.
5.8. Почему несколько молниеотводов эффективнее одиночного.
5.9. О некоторых технических характеристиках молниеотводов.
5.9.1. Зоны защиты молниеотводов.
5.9.2. Угол защиты тросового молниеотвода.
5.10. Зависимость защитного действия молниеотвода от технологических функций защищаемого объекта.
5.11. Притяжение молнии к летательным аппаратам.
5.12. Можно ли управлять процессами ориентировки и выбора?
5.13. Если молния промахнулась.
Глава 6. Грозовые перенапряжения и другие опасные воздействия.
6.1. Индуцированные перенапряжения.
6.1.1. «Электростатические» воздействия зарядов облака и молнии.
6.1.2. Перенапряжения, индуцированные магнитным полем молнии.
6.2. Удар молнии в экранированный объект.
6.2.1. Перенапряжения при ударе молнии в металлический корпус объекта.
6.2.2. Путь молнии к подземному кабелю.
6.2.3. Перенапряжения на изоляции подземного кабеля.
6.2.4. Влияние скин-эффекта.
6.2.5. Влияние формы сечения оболочки.
6.2.6. Перенапряжения в двухпроводных системах.
6.2.7. О лабораторных испытаниях объектов с металлическими оболочками.
6.2.8. Перенапряжения в многослойных экранированных кабелях.
6.3. Занос высокого потенциала по металлическим коммуникациям.
6.4. Перенапряжения прямого удара.
6.4.1. Работа заземлителя при отводе в землю больших импульсных токов.
6.4.2. ЭДС индукции в пораженном молнией объекте.
6.4.3. Напряжение на изоляции, отделяющей пораженный молнией объект от соседних.
6.4.4. Особенности линий с молниезащитными тросами.
6.5. Заключительные замечания.
Список литературы.
Дополнение при корректуре. О влиянии короны на возбуждение восходящих лидеров и инициирование молний с помощью лазеров.
1. Влияние короны на лидер.
1.1. Простейшая модель короны.
1.2. Возникновение стримерной вспышки у коронирующего электрода.
1.3. Рождение лидера внутри ионного облака.
1.4. Возможность лидеру выйти за пределы ионного облака.
2. Лазерное инициирование молний.
2.1. Основные схемы и лазеры.
2.2. Требования к плазменному проводнику в свободной атмосфере.
Предметный указатель.
