Atmosphärische Elektrizität: Besonderheit des Auftretens, Erscheinungsformen, Schutz vor Gefahren

Der Komplex aus Bewegung und Wechselwirkung von Energieladungen in der Erdhülle, der von einem speziellen Teil der Physik untersucht wurde, wird als atmosphärische Elektrizität bezeichnet. Untersucht werden das Feld um geladene Teilchen und Körper, das bei einer Änderung der magnetischen Induktion entsteht, der Prozess der Ionenbildung, die Fähigkeit Strom zu erzeugen und zu leiten. Die Möglichkeit von Teilchen, an elektromagnetischer Wechselwirkung teilzunehmen und Strahlung zu erzeugen, wird untersucht.

Elektrische Effekte in der Atmosphäre

Alle Erscheinungsformen sind miteinander verbunden, ihr Unterschied ist auf lokale meteorologische Bedingungen zurückzuführen. Der Bereich des untersuchten Konzepts umfasst die in der Stratosphäre (Schichten in einer Höhe von 12-52 km) und der Troposphäre (oberirdische Luft mit einer Höhe von 8 bis 18 km) auftretenden Prozesse.

Die Wirkung von Elektrizität bei der Entstehung von Blitzen ist nachgewiesen, und dies erklärt auch das Auftreten von Ladungen, Polarlichtern mit unterschiedlichen Polaritäten von Gewitterwolken. Leitfähige atmosphärische Schichten in 55-100 km Höhe wurden als Ergebnis der Forschung entdeckt und werden direkt im Entwicklungsprozess der Raumfahrt untersucht.

Die Art der Elektrifizierung von Wolken bei einem Gewitter wird untersucht, um den Prozess unterzuordnen, für menschliche Aktivitäten zu nutzen und gezielt zu steuern. Die Anerkennung der Rolle von Energiekräften bei der Wolkenbildung verringert die Gefahr der Elektrifizierung von Flugzeugen und bringt das Geheimnis des Kugelblitzes näher.

Physische Natur

Die Energiereserve auf der Hülle der Wassermikropartikel hält lange an, nach und nach bilden schwere Körner die untere Schicht der Wolke, der Rest konzentriert sich im oberen Teil. Die Integrität wird aufgrund der Eigenschaft unterschiedlicher Pole, sich gegenseitig anzuziehen, aufrechterhalten. Kristallisieren die Tropfen und verwandeln sie in Hagelbrust oder Schneeflocken, wird Wärme frei. Der Wind schlägt die Teilchen gegeneinander, der Ladungsindex ändert sich und ein zusätzlicher Protonenstrom entsteht.

Daraus ist ersichtlich, dass der organisierte Elektronenstrom unter statischen Bedingungen und im atmosphärischen Bereich die gleiche Art des Auftretens hat, obwohl die Skalen des Phänomens und die Pole der beweglichen Teilchen unterschiedlich sind. Auf den Boden fallender Schnee wird durch Aufprall auf die Oberfläche und Gegenstände elektrisiert. Dies äußert sich darin, dass bei starken Schneestürmen bei kritisch niedrigen Temperaturen (im Norden) violette Blitze durch die Schneewolken gleiten und das Leuchten von scharfen Objekten angetroffen wird. Die gleichen Phänomene, ähnlicher Natur, werden bei Sand- und Staubstürmen von enormer Stärke beobachtet.

Die Ladungen in den Wolken verteilen sich auf ein komplexes System. Manchmal hat eine Wolke unterschiedliche Ladungen in zwei Teilen oder wird positiv oder negativ elektrisiert. Infolgedessen tragen große Bereiche der Atmosphäre, die bis zu mehreren Kilometern reichen, die gleiche Fähigkeit, Energie zu leiten. Das Potenzial einer Gewitterwolke wird in Dutzenden von Millionen Volt gemessen, manchmal bis zu einer Milliarde.

Blitzphänomen

Bei einem Gewitter entsteht in der Ozonhülle eine Funkenenergieentladung, die sich mit einem blendenden Lichtblitz und dem anschließenden Soundeffekt äußert. Die Orte, an denen Blitze gebildet werden, sind:

• Regen Cumulus-Wolken;
• geschichtete Regenwolken;
• Gebiete mit vulkanischer Aktivität;
• Bereiche, in denen Tornados auftreten;
• Regionen mit Staubstürmen.

Eine weit verbreitete Art von linearen Blitzen im Zusammenhang mit Impuls- oder Hochfrequenzentladungen ohne Elektroden im Arbeitsbereich. Darin unterscheiden sie sich von einer Funkenentladung in Gasen zwischen Kontaktleitern mit Ionen. Blitzeigenschaften:

• Funkenlänge mehr als mehrere hundert Meter;
• die Entladung tritt in Energiefeldern auf, die schwächer sind als diejenigen, die an Interelektrodenprozessen beteiligt sind;
• Ladungen von Milliarden isolierter Teilchen (innerhalb weniger Kilometer) werden in Tausendstelsekunden gesammelt;
• im Blitz verwandelt sich Elektrizität in Licht, Wärme und Ton, sie entstehen, um eine kraftvolle Ladung zu entspannen;
• die Reißverschlusshülse hat einen Durchmesser von 1 cm;
• der gerichtete Elektronenstrom darin beträgt 10 bis 100 kA, die Temperatur im Inneren beträgt etwa 25 Tausend. Grad C, während die Laufzeit Sekunden beträgt.

Ziffernteilung

Die Phänomene, die in Gewitterwolken auftreten, werden in Form von Blitzen im Inneren der Wolke und solchen, die auf die Erdoberfläche treffen, unterschieden. Für ihr Auftreten ist das Vorhandensein eines elektromagnetischen Feldes in einer kleinen Wolke mit einem bestimmten Wert der inneren Kraft unter dem Einfluss verschiedener Faktoren (1 MV / m) erforderlich. In der allgemeinen Umgebung sollte die Spannung einen Mittelwert haben, der die Einleitung der Entladung unterstützt (0,1–0,2 MV / m).

Glatte Entladungen beziehen sich auf die Anfangsform von Blitzen in der Troposphäre, sie bilden oft einen unverzweigten, gleichmäßigen Stamm. Dieses Phänomen wird mit einer zellulären Natur eines Gewitters, instabilen Luftparametern während eines Tornados visualisiert. Oft erscheint ein einzelner Impuls mit positiver Ladung.

Wolken-Boden-Blitze führen in der Länge (bis zu 150 km), die Häufigkeit ihres Auftretens nimmt mit der Annäherung an den Äquator zu. Begleitet wird das Phänomen von einer Veränderung der elektromagnetischen Räume um Teilchen und Radiowellen. Die Gefahr, einen am Boden befindlichen Gegenstand zu treffen, steigt mit seiner Höhe. Die Häufigkeit von Stößen wird durch die Fähigkeit des Bodens in einer Tiefe unter dem Objekt oder auf der Oberfläche um ihn herum beeinflusst, Ladungen zu leiten.

Wenn es ein Feld in der Wolke gibt, das Blitze unterstützen kann, aber nicht genügend Energie für sein Erscheinen vorhanden ist, wird ein hohes leitfähiges Objekt oder Flugzeug eine Entladung einleiten. Ausschlaggebend ist die Elektrifizierung des Metallkörpers. Blitze zwischen Himmel und Erde werden häufiger bei Regen und Kumuluswolken provoziert.

Platzt in den oberen Schichten

Besondere Entladungen entstehen in den hochgelegenen Luftschichten, die die Erde umgeben. Sofortige Blitze zeichnen sich durch unerwartete Formen oder verschwommene Schichten aus. Sie sind an die Oberfläche oder noch weiter nach oben gerichtet, was optisch sichtbar ist. Es gibt Blitzarten:

• riesig - Elfen;
• Kegel - Düsen;
• wenig erforschte Sprites.

Elfen werden als große (400 km) Lichtphänomene in Form eines Kegels gesehen. Sie funken schwach und erscheinen im oberen Bereich der Gewitterwolke. Die Höhe des Kegels erreicht 100 km, die Visualisierungsdauer reicht von 3 bis 5 ms.

Die Jets werden in Form von Röhren oder Kegeln von blauer Farbe beobachtet, ihr Leuchten ist heller als die der Elfen, aber die Höhe ist geringer (der Bereich der Ionosphäre über dem Boden beträgt 42-70 km). Aufgrund ihrer Dauer sind sie innerhalb von 4-6 ms sichtbar.

Die Sprites sind schwach sichtbar, fast nicht zu unterscheiden, aber sie treten mit Zähigkeit in jedem Sturm auf. Über die physikalische Natur des Phänomens ist wenig bekannt; es ist visuell klar, dass die Richtung des Blitzes von der Wolke nach oben geht. Entladungen treten in einer Höhe von 52-135 km über der Bodenoberfläche auf.

Zarnitsy am Himmel

Sofortige funkelnde Blitze erscheinen am Horizont, wenn ein Gewitter durch entfernte Orte zieht. Das Donnergeräusch ist nicht hörbar, lediglich die Reflexion von Regen und Cumuluswolken (Gipfel) wird visuell bestimmt. Die Wirkung tritt nach Hochsommer in der Dämmerung oder nachts ein. In den Tropen sind Blitze nicht nur am Horizont, sondern auch am Himmel über dem Kopf des Betrachters sichtbar.

Die Gründe für das Erscheinen werden wie folgt genannt:

• Licht wird von verdünnten Dämpfen in der Atmosphäre reflektiert, die von der Erdoberfläche aus nicht sichtbar sind. Weitreichende Funken werden von kleinsten Wasserpartikeln reflektiert und werden in weiter Ferne sichtbar.
• Manchmal treten Flares unter weithin sichtbaren Wolken auf. Ihre Konturen werden zur Kulisse für den Blitz. Blitzreflektionen sind sichtbar, Donner jedoch aufgrund der großen Entfernung nicht zu hören.
• Trockene Gewitter können nicht als Blitze kategorisiert werden, ähneln sich aber in der Visualisierung. Wenn das Phänomen auftritt, treten Gewitterentladungen in transparenten und nicht zu unterscheidenden Wolken auf, genauer gesagt in einem stark verdünnten Dampf, während es keine Tonbegleitung gibt.

Gefahrenfaktoren

In Wolken liegen Partikel in Form von Dampf, Flüssigkeit oder Kristallen vor. Sie gelangen nach Verdunstung aus Gewässern in die Atmosphäre. Aufgrund der Tatsache, dass der gesamte Protonenfluss von großen Partikeln auf kleine gerichtet ist, werden große Tropfen negativ geladen und kleine - mit einem positiven Pol.

Blitze gelten als gefährlicher Faktor hoher Leistung. Direkte Einwirkungen zerstören Gebäude, Bauwerke, hohe Felsen, Pflanzungen, verursachen Brände und unvorhersehbare Explosionen, führen manchmal zum Tod von Lebewesen und Menschen. Auf dem Weg des Blitzes im Objekt wird die Flüssigkeit sofort mit hohem Druck in Dampf umgewandelt. Die schädigende Wirkung ist in Typen unterteilt:

• primär - als Folge der direkten Zerstörung eines Objekts oder Objekts;
• sekundär bedeutet das Auftreten hoher Induktion, starker elektrischer und magnetischer Felder oder die Übertragung hoher Potentiale in Gebäude.

Die elektrostatische Aufladung einer Gewitterwolke überträgt den Gegenstrom auf ein von der Erdoberfläche isoliertes Ziel (interne Geräte, Metalldächer, Drähte, Funknetze). Das Energie verbrauchende Potenzial bleibt nach dem Ende des Aufpralls erhalten und entspannt sich an nahen Gegenständen. Es entzündet brennbare Materialien, wirkt auf Sprengstoffe und verletzt Personen, die aufgeladene Gegenstände berühren.

Potential- und Induktionsschutz

Das Schutzniveau eines Objekts hängt von der Explosionsgefahr von Gebäuden ab und wird durch die Konstruktion des Gerätes vorgegeben. Die Gefährdung von Gebäuden wird gemäß den Normen der PUE durchgeführt, es gibt drei Gruppen von Blitzschutzeinrichtungen und zwei Arten von Zonen (A und B). Für die Zonen A ist es erforderlich, 99,6% der Blitze abzufangen, und in Gebiet B werden 95% der starken himmlischen Entladungen verhindert.

Elektromagnetische Induktion dringt in das Gebäude ein, nachdem sie auf ein Kabel oder einen Draht von außen trifft. Der Schutz erfolgt durch die Entladung von Ladungen in den Boden. Dazu werden interne metallische Betriebsmittel mit einer definierten Stromverteilungsebene geerdet.

An den Stellen ihres technologischen Ansatzes werden Brücken zwischen Pipelines und anderen langwierigen Metallverbindungen gelegt. Sie verteilen und sorgen für einen gleichmäßigen Fluss des induzierten Stroms, ohne Ladungen an den benachbarten Stromkreis zu erzeugen. Alle 20 m sind Absperrungen vorhanden.

Die Verhinderung des Abdriftens von Potentialen mit hohen Geschwindigkeiten innerhalb der Gebäude wird dadurch organisiert, dass der Strom in den Erdbereich außerhalb des Gebäudes geleitet wird. Dazu wird der Eingang von Drähten, Kabeln und Kommunikationsmitteln in den Raum an ein Schutzgerät angeschlossen oder bei der Planung der Verteilungsinstallation an die Erdungsschleife angeschlossen.

Blitztipps

Blitzableiter sind so konstruiert, dass sie Strom aus Gewitterenergieimpulsen aufnehmen und so organisieren, dass sie an einen sicheren Ort am Boden abgeleitet werden. Zum Schutz sind separat angeordnete vertikale Stangen mit Kabeln installiert. Die zweite Möglichkeit sind die Abgriffe am Schutzobjekt selbst, aber isoliert von der Übertragung von Elektrizität in interne Netze und Metallkommunikation.

Die Gestaltung eines separat angeordneten Blitzauslasses umfasst folgende Strukturelemente:

• Sockel (Stütze) bis zu 22-25 Meter hoch, das Material ist Holz, Metall, Beton oder Stahlbeton;
• empfänger starker Energieimpulse aus Stahl, sein Querschnitt sollte nicht weniger als 100 mm² betragen;
• Ableitung mit einer Querschnittsfläche von mehr als 48 mm²;
• Masseschleife.

So entsteht ein Gürtel in Form eines volumetrischen Kegels, dessen höchster Punkt sich an der Spitze eines vertikalen Metallstabs befindet. Der Umfang der Kegelbasis befindet sich in Bodenhöhe, sein Durchmesser hängt von der Höhe des Blitzfängers ab.

Eine weitere Schutzmöglichkeit sieht den Einbau von separat angeordneten Stabelementen vor, die nicht von den Metallteilen des Objekts isoliert sind. Dies können Seile oder Stäbe sein, während die Ableitung der induzierten Elektrizität durch die Trennung vom Kontakt mit Menschen und explosiven Gegenständen organisiert wird.

Ein Beispiel ist der Empfang von Impulsen auf einer Metalldacheindeckung oder auf einem darauf befindlichen Stahlgitter. Voraussetzung ist die Ableitung des Energiepotentials in das Erdreich ohne Kontakt mit Haushaltsgeräten und -anlagen.

Es ist erlaubt, in Form von Ableitungen Metallelemente des Gebäuderahmens oder Nottreppen der externen Evakuierung an den Wänden zu verwenden. In diesem Fall werden die Indikatoren der Impulsfestigkeit berechnet, deren Grenzwerte mit speziellen Standardindikatoren korreliert sind.