Молния глазами пожарного

Из цикла статей "Молниезащита для новичков".

Много лет назад, когда в стране еще активно работала студия научно-популярных фильмов. в нашу лабораторию приехали киношники. Они хотели снять сюжет о лабораторных испытаниях молниеотводов. На рабочем поле под генератором на 3 миллиона вольт (он был закреплен под потолком и висел вверх ногами) разместили декорацию. Искра длиной в 6 метров была успешно перехвачена моделью стержневого молниеотвода. Теперь настала очередь показать нерадивого хозяина, у которого дом без молниеотвода. По сценарию после удара искры – молнии он должен сгореть. Искра не промахнулась. Она пробила фанерную крышу декорации и ударила в заземленный металлический пол лаборатории. Пламени не было. Плеснули на крышу спирта, повторили разряд – эффект тот же. Поставили внутрь игрушечного домика блюдце со спиртом и через проволоку подвели искру прямо к нему. Не помогло. Киношники уехали ни с чем, жалуясь на слабую мощность искры.

Претензии к искре предъявляли зря. Температура ее канала была никак не меньше 6000 С, примерно столько же, как у дуги хорошего сварочного аппарата. Время существования искры оценивалось в десятки микросекунд. Примерно столько же длится мощный импульс тока в канале молнии. А вот пожара так и не получилось, даже игрушечного.

Температура в канале реальной молнии надежно измерена спектроскопическими методами. Примерно так же фиксировалась температура на поверхности Солнца. где она, как и у лабораторной длинной искры, близка к 6000 С. Молния же заметно горячее. Плазма в ее канале нагрета примерно до 30 000 С. При такой температуре сгорит даже металл. Тем не менее, специалисты не считают молнию очень активным поджигателем.

"Здесь нечему удивляться", - скажет проницательный читатель – "в современном строительства используются негорючие материалы". Действительно, ни кирпич, ни монолитный или сборный железобетон гореть не станут. Но дело не только в материалах. Здесь стоит напомнить о хорошо отработанном приеме современных пожарных расчетов на нефтяных или газовых промыслах. В критической ситуации они гасят пламя над уже неуправляемой скважиной направленным взрывом. Молния поступает точно также. При исключительно быстром нагреве ее канала возникает ударная волна (это она рождает громовой раскат). Стремительный воздушный поток сдувает продукты горения. Молния сама выступает в роли пожарного. Сила ударной волны очень велика. При молниевом ударе в воздухозаборник самолета она в состоянии сорвать пламя и остановить турбину.

И все-таки пожар от контакта с каналом молнии возможен, особенно если молния многокомпонентная. Советую воспользоваться ближайшей грозой, чтобы понаблюдать за разрядами молнии в землю. Большинство каналов кажется мерцающими. Это не обман зрения. Дело в том, что по одному и тому же каналу может формироваться несколько электрических разрядов – компонентов молнии. Они следуют друг за другом с паузой до десятой доли секунды. Если сфотографировать молнию на медленно движущуюся фотопленку (такое было возможно старыми фотоаппаратеми с ручной перемоткой пленки), получится вот такая картина:

Фотография молнии

Эта фотография получена специалистами Энергетического института им. Г.М. Кржижановского камерой автоматического слежения за Останкинской телебашней. В ударе было 7 компонентов. Среднее их число близко к 3-4, а максимальное превышает 30. Канал светится очень ярко только под действием сильного импульсного тока молнии. Именно он создает ударную волну. В паузах между компонентами ток очень слаб, но это ''очень" определено в масштабе молнии. Величина межкомпонентного тока находится в пределах 100 А. В дуге сварочного аппарата примерно столько же. Яркость канала ослабла, ударную волну он уже не генерирует и температура заметно упала, - примерно до 6000 – 7000 C. Но и такая "спичка" способна на многое, особенно после последнего компонента, когда ударная волна уже затухла и ничего не погасит. Если материал здания горючий, как покрытие недавно сгоревшей высотки в Грозном, можно сразу набирать по телефону "01"или "112".

В разобранной ситуации проблему успешно решают молниеотводы. При правильной расстановке они практически полностью исключат контакт канала молнии с защищаемым сооружением. К сожалению, опасность пожара от этого не ликвидируется полностью. На фотографии фрагмент резервуара с жидким топливом после пожара в грозовой обстановке. Как видите, молниеотводы на резервуаре были. Один даже уцелел после пожара и попал в кадр. Избежать пожара он не помог. Правильнее сказать, - не мог помочь, потому что удара молнии в резервуар не было. В момент пожара гроза еще не началась. Была только грозовая обстановка. Над резервуарным парком нависла туча.

Резервуар после удара молнии

Хватило и этого.

Большинство читателей этой статьи наверняка увлекались в детстве пиратскими романами. Их авторы умели нагнетать обстановку, подробно описывая зловещее свечение на верхушках мачт пиратских кораблей. Огни святого Эльма – так называется это явление. Высоковольтники называют его коронным разрядом или еще проще, короной. Корона возникает в электрическом поле грозового облака не только от высоких корабельных мачт, но и от любого высокого сооружения с вершиной малого радиуса, даже от стоек молниеотводов. Причина зарождения таких разрядов проста. Грозовое облако создает у поверхности земли очень заметное электрическое поле. Его напряженность достигает 10 – 50 кВ/м. На сооружении длиной в десяток метров набирается до 500 кВ. Этого достаточно, чтобы ионизовать воздух и даже сформировать каналы длиной в десятки сантиметров. А теперь вспомните безупречную работу электрической зажигалки для газовой плиты на вашей кухне.

Короткие искровые каналы в грозовой обстановке действуют ничуть не хуже. Но поджигают они не газовую горелку, а газовые смеси у дыхательных резервуаров с нефтепродуктами. Дальше можно не продолжать. Если система огнепреграждения дыхательных клапанов несовершенна, крупный пожар обеспечен даже без прямого удара молнии. Короткие искры в опасных местах сооружения могут иметь и совсем иную природу. Большой по величине ток молнии создает сильное магнитное поле. Оно очень быстро меняется во времени, потому что скорость роста молниевого тока в состоянии превысить 1011 А/с. По закону Фарадея в любом контуре за счет изменяющегося во времени магнитного поля возникает ЭДС магнитной индукции. При неблагоприятных условиях она измеряется десятками киловольт, намного больше, чем нужно для создания короткого искрового разряда. Во взрывоопасном объеме это прямой путь к опаснейшей аварии. Молниеотвод может успешно перехватить молнию и отвести ее ток в землю, но магнитное поле от тока в стойке молниеотвода окажется практически таким же, как от тока в молниевом канале. Опасности молниеотвод не устраняет. Надеюсь, мы еще вернемся к электромагнитному полю молнии. Сегодня оно представляет едва ли не главнейшую опасность для современной техники.

В завершение статьи еще об одном нестандартном источнике пожаров. Полвека назад, когда не было космической связи, все междугородние переговоры велись по подземным кабельным телефонным сетям. Телефонные кабели часто страдали от молнии, особенно в грунтах низкой проводимости, скальных или вечно мерзлых. Ремонтные бригады тогда почти не пользовались приборами для поиска поврежденного участка. Маленький автобус на базе ГАЗ 51 с ремонтниками гнали вдоль кабельной трассы, пока не показывалась полоса вздыбленной земли, похожая на борозду от крестьянского плуга. Как правило, она начиналась у высокого дерева и обрывалась в месте расположения кабеля. Короткая работа лопатами и открывается будто бы кувалдой смятый кабель с изуродованной изоляцией жил. Здесь поработала молния. Она ударила в высокое дерево на просеке и молниевый ток через корни растекся по проводящей земле. Правильнее было бы написать "по плохо проводящей земле", потому что ее удельное сопротивление по крайней мере в миллиард раз выше, чем у стали. В земле работает закон Ома. Произведение тока молнии на сопротивление дает напряжение, произведение плотность тока на удельное сопротивление – напряженность электрического поля. Когда она превысил примерно 106 В/м, в грунте начинается ионизация, которая способна дать старт искровому каналу. Как правило, он скользит вдоль поверхности грунта и взрыхленная полоса земли – это его работа. Чем сильнее молния и ниже проводимость грунта, тем дальше распространяется скользящий канал.

Природа этого явления хорошо изучена экспериментально и теоретически. На рисунке расчетная зависимость длины канала от удельного сопротивления грунта для молнии средней силы с током 30 кА. Легко видеть, что в практически значимых условиях каналы скользящих разрядов вырастают на несколько десятков метров, проникая таким образом в зону, хорошо защищенную молниеотводами, только не традиционным путем, сверху, а в обход молниеотводов, снизу.

График длины скользящего канала

Легко представить себе последствия такого события, заметив, что канал по своей природе является дуговым и разогрет никак не меньше, чем до 6000 C.

Мораль достаточно проста. Современные сооружения не так легко поджечь и удар молнии в них редко приводит к пожару. Но если налицо большие объемы углеводородных топлив либо производство связано с образованием взрыво и пожароопасных пылевых или газовых смесей в воздухе, защита от молнии требует исключительно профессионального отношения. Установка молниеотводов здесь обязательна, но решает проблему она далеко не всегда и не полностью. Арсенал молнии разнообразен, а потому выбор средств защиты должен производиться специалистом.

Э. М. Базелян, д.т.н., профессор
Энергетический институт имени Г.М. Кржижановского, г. Москва

Надеемся, что в дальнейшем этот сайт выполнит роль элементарного учебника по самообороне от молнии. Мы планируем постоянно размещать здесь статьи о реальных опасностях грозового электричества и современных средствах молниезащиты. Они призваны помочь разобраться в существе проблемы и оценить доступные вам пути ее решения.