Грозовые разряды, молнии, являются одним из видов самых высокоэнергетических явлений на Земле, и, на самом деле, они представляют собой нечто большее, чем просто яркая вспышка света и грохот громового раската. Разряды молний, как это уже давно известно, являются источником вспышек гамма-лучей, и недавно группа исследователей из Японии выяснила, что эти гамма-вспышки являются, в свою очередь, инициатором фотоядерных реакций в атмосфере, в результате которых вырабатывается антиматерия, тут же аннигиллирующая при контакте с обычной материей.
© Kyoto University/Teruaki Enoto
Гамма-вспышки от грозовых разрядов были зарегистрированы впервые в 1992 году при помощи гамма-обсерватории НАСА Compton Gamma-ray Observatory. С того времени эти вспышки, получившие название Terrestrial Gamma-ray Flashes (TGF), пристально изучались, и лишь недавно исследователям из университета Киото удалось найти объяснения некоторых особенностей сигналов от этих вспышек.
«Мы уже давно знаем, что грозовые разряды испускают гамма-лучи. На основании этого была выдвинута гипотеза о том, что эти гамма-лучи будут провоцировать ядерные реакции, в которых принимают участие атомы некоторых элементов земной атмосферы» — рассказывает Теруэки Эното (Teruaki Enoto), ведущий исследователь, — «Зона западного побережья Японии в зимний период является идеальным местом для проведения наблюдений за сильными грозами и молниями. В 2015 году мы начали установку на побережье сети миниатюрных гамма-датчиков, а сейчас данные, собранные этими датчиками, позволили нам раскрыть некоторые из тайн грозовых разрядов».
Во время грозы, бушевавшей 6 февраля этого года, гамма-датчики собрали весьма необычный набор данных. Четыре датчика, установленные рядом с городом Касивадзаки, зарегистрировали сильный гамма-всплеск сразу же после близкого удара молнии. Но когда ученые провели тщательный анализ данных, они обнаружили то, что на самом деле один всплеск состоит из трех следующих друг за другом всплесков разной длительность.
Первый, самый короткий всплеск, длившийся менее миллисекунды, является порождением грозового разряда. Но следующие два всплеска представляют для ученых больший интерес, ведь они являются следствием фотоядерных реакций, происходящих тогда, когда гамма-лучи первого всплеска выбивают нейтроны из атомов атмосферного азота. Выбитые свободные нейтроны поглощаются другими атомами, что приводит к возникновению свечения в гамма-диапазоне, которое длится уже несколько десятков миллисекунд.
Длительность последнего, третьего гамма-всплеска, составляет уже около одной минуты, и причина его появления еще более экзотическая, нежели причина появления второго всплеска. Атомы азота, потерявшие нейтроны, становятся нестабильными и распадаются, выпуская в пространство позитроны, являющиеся побочным продуктом реакции расщепления. Позитроны являются антиподами электронов со стороны антиматерии, и когда они сталкиваются с нормальными электронами, они аннигилируют, взаимно уничтожая друг друга. И такой процесс «суицида» позитронов-электронов также сопровождается вспышками гамма-лучей.
В скором времени японские ученые планируют установить некоторое количество дополнительных гамма-датчиков, которые, вместе с 10 уже имеющимися, позволят им собрать больше данных и изучить описанные выше явления еще более тщательно.
«Многие из людей считают, что антиматерия — это нечто, существующее только в фантастике» — рассказывает Теруэки Эното, — «Но мы утверждаем, что процесс появления и самоуничтожения антиматерии является для Земли самым обычным делом. В некоторых регионах такие явления происходят по многу раз чуть ли не каждый день».
По материалам Киотского университета через Science Daily
Исследование было опубликовано в журнале
Грозовые разряды - молнии - рассматриваются как электрические разряды гигантского конденсатора, одной обкладкой которого служит грозовое облако, заряженное с нижней стороны (чаще всего, отрицательными зарядами), а другой - земля, на поверхности которой индуцируются положительные заряды (грозовые разряды проходят также между разноименно заряженными частями облаков). Эти разряды состоят из двух стадий: начальной (лидерной) и главной. В начальной стадии молния медленно развивается от грозового облака до поверхности земли в виде слабо светящегося ионизированного канала, который заполняется отрицательными зарядами, стекающими из облака (рис. 4.9).
Рис. 4.9 Грозовое облако
Типичная осциллограмма волны тока молнии, проходящей через пораженный объект (рис. 4.10), показывает, что в течение нескольких микросекунд ток молнии нарастает до максимального (амплитудного) значения i. Этот участок волны (см. рис. 4.10, точки 1-2) называется временем фронта волны т. Далее следует спад тока. Время от начала (точка 1) до того момента, когда ток молнии, спадая, достигает значения, равного половине его амплитуды (точками 1-4), называют периодом полу спада Т1
Важными характеристиками тока молнии являются также амплитуда и скорость нарастания тока молнии (крутизна волны).
Амплитуда и крутизна тока молнии зависят от многих факторов (заряда облака, проводимости земли, высоты объекта поражения другие) и изменяются в широких пределах. Практически амплитуду волны определяют по кривым вероятности токов молнии (рис. 4.11).
На этих кривых по оси ординат отложены амплитудные значения токов молнии I м, а по оси абсцисс - значения вероятности появления этих токов.
Вероятность выражена в процентах. Верхняя кривая характеризует токи молнии с вероятностью до 2%, а нижние кривые - до 80%. Из кривых рис. 4.11 видно, что токи молнии на равнинных участках (кривая 1) примерно вдвое больше токов молнии в горных районах (кривая 2), где удельное сопротивление грунта достаточно велико. Кривая 2 относится также к токам молнии попадающей в провода линии и в возвышающиеся объекты с переходным сопротивлением объект - земля порядка сотен Ом.
Наиболее часто наблюдаются токи молнии до 50 кА. Токи молнии свыше 50 кА не превышают 15% в равнинных районах и 2,5% игорных районах. Средняя крутизна тока молнии 5 кА/мкс.
Независимо от географической широты полярность разрядного тока молнии может быть как положительной, так и отрицательной, что связано с условиями образования и разделения зарядов в грозовых облаках. Однако в большинстве случаев токи молнии имеют отрицательную полярность, т. е. из облака в землю переносится отрицательный заряд и лишь в редких случаях зафиксированы токи положительной полярности.
Именно с токами молнии (отрицательной и положительной полярности) часто связано возникновение перенапряжений в электрических установках, в том числе в устройствах проводной связи. Различают два вида воздействия токов молний: прямой удар молнии (п. у. м.) в линии связи и косвенные воздействия токов молнии при разряде молнии вблизи ЛС. В результате обоих воздействий в проводах линии связи возникают перенапряжения от п. у. м. и индуцированные перенапряжения, объединяемые под общим названием атмосферные перенапряжения.
При прямом ударе молнии появляются перенапряжения до нескольких миллионов вольт, которые могут вызвать разрушение или повреждение оборудования линии связи (опор, траверс, изоляторов, кабельных вставок), а также аппаратуры проводной связи, включенной в провода линии. Частота п. у. м. находится в прямой зависимости от интенсивности грозовой деятельности в данном районе, который характеризуется общей годовой продолжительностью гроз, выраженной в часах или грозовых днях.
Интенсивность грозовых разрядов характеризуется величиной тока молнии. Наблюдениями, проведенными во многих странах, установлено, что величина тока в каналах разрядов молний колеблется от нескольких сот ампер до нескольких сот тысяч ампер. Продолжительность молнии колеблется от нескольких микросекунд до нескольких миллисекунд.
Ток разряда имеет импульсный характер с передней частью, называемой фронтом волны, и задней частью, называемой спадом волны. Время фронта волны тока молнии обозначается через х мкс, время спада волны до 1/2 амплитуды тока обозначается через t.
Эквивалентной частотой молнии называют частоту синусоидального тока, который, действуя в оболочке кабеля вместо волны импульсной формы, вызывает появление напряжения между жилой и оболочкой с амплитудой, равной амплитуде при естественном токе молнии. В среднем м= 5 кГц.
Эквивалентным током молнии называют эффективное значение синусоидального тока с эквивалентной частотой молнии. Средняя величина тока при ударах в землю равна 30 кА.
Количество и объем повреждений, возникающих в течение года на подземном кабеле связи, зависят от ряда причин:
Интенсивность грозовой деятельности в районе прокладки кабеля;
Конструкции, размеров и материала внешних защитных покровов, электрической проводимости, механической прочности изоляционных покрытий и поясной изоляции, а также электрической прочности изоляции между жилами;
Удельного сопротивления, химического состава и физического строения грунта, его влажности и температуры;
Геологического строения рельефа местности и района трассы кабеля;
Наличие вблизи кабеля высоких предметов, таких, как мачты, опоры линий электропередачи и связи, высокие деревья, лес и т. д.
Степень гроза стойкости кабеля ударам молнии характеризуется добротностью кабеля q и определяется отношением максимально допустимого ударного напряжения к омическому сопротивлению металлического покрова кабеля на длине 1 км:
Повреждения в кабеле возникают не при каждом ударе молнии. Опасным ударом молнии называют такой удар, при котором возникающее напряжение превышает по амплитуде пробивное напряжение кабеля в одной или в нескольких точках. При одном и том же опасном ударе может возникнуть несколько повреждений кабеля.
При ударе молнии на некотором расстоянии от кабеля возникает электрическая дуга по направлению к кабелю. Чем больше амплитуда тока, тем с большего расстояния может возникнуть дуга. Ширина эквивалентной полосы, прилегающей к кабелю, удары в которую вызывают повреждение кабеля, в среднем принимается равной 30 м (с кабелем посередине). Площадь, занимаемая этой полосой, образует эквивалентную площадь поражения, она получается умножением ширины эквивалентной полосы на длину кабеля.
Воздушная оболочка вокруг земного шара состоит из нескольких слоев: тропосфера (верхняя граница 7 - 18 км), стратосфера (высота от 7 18 км над землей – до 80 км), ионосфера (от 80 до 900 км). Ионосфера – хорошо проводящая среда, являющаяся как бы обкладкой огромного сферического конденсатора, второй обкладкой которого служит шаровая поверхность земли; воздушную среду между ними можно рассматривать в качестве диэлектрика. Верхняя обкладка (ионосфера) заряжена положительно, земная поверхность – отрицательно. Напряженность электрического поля такого природного конденсатора неравномерна из-за разной плотности воздуха, у поверхности земли она составляет 120 В/м. Напряженность электрического поля в атмосфере меняется и зависит от наличия заряженных облаков.
Общая величина напряженности электрического поля у поверхности земли может достигать 5000 В/м и выше. При критических разностях потенциалов между облаком и землей (свыше 10 9 В) возникает электрический разряд, т.е. молния.
На рис. 1.5, а изображено прямое попадание молнии в кабель без пробоя изоляции жил.
Линия 1 – оболочка кабеля, 2 – две жилы кабеля.
Рис. 1.5. Прямое попадание тока молнии в кабель
При попадании молнии в оболочку кабеля, ток растекается влево и вправо и индуктирует в кабеле ЭДС (U об-ж – между оболочкой и жилой, U ж-ж – между жилами) и токи i ж. Эти ЭДС могут быть опасны для изоляции жил кабеля и подключенной к ним аппаратуры. Если при этом изоляция между оболочкой и жилами пробьется, то ток молнии попадет и в жилы (рис. 1.5, б), при этом в месте удара молнии напряжения U об-ж = 0, U ж-ж = 0, в отдаленных местах эти ЭДС могут достичь опасных значений.
На рис. 1.6 показаны случаи косвенного действия разрядов молнии.
Рис. 1.6. Косвенное действие разряда молнии
При ударе молнии в дерево разряд по его корням может пройти в кабель (рис. 1.6, а). Расстояние а , которое перекрывается электрической дугой молнии, возрастает с увеличением удельного сопротивления земли.
Второй случай косвенного действия изображен на рис. 1.6, б: при разряде молнии между облаками ток индукцирует в кабеле (и воздушных линиях) ЭДС, которые пропорционально величинами.
1.6. Высокочастотные каналы систем передачи на высоковольтных лэп переменного и постоянного тока
Провода высоковольтных ЛЭП кроме передачи электрической энергии могут использоваться для передачи сигналов связи, телеуправления и устройств защиты ЛЭП от аварийных режимов работы. Указанные высокочастотные каналы создаются на частоте 40-500 кГц.
Схема подключения высокочастотных устройств к ЛЭП по схеме "фаза–земля" представлена на рис. 1.7.
Каждый передатчик работает на своей частоте, его мощность составляет 10 100 Вт и выше. С влиянием высокочастотных каналов на каналы систем передачи (воздушные, кабельные линии связи и другие) следует считаться, если мощность высокочастотных постов превышает 5 Вт.
К источникам влияний относятся также мощные передающие радиостанции.
Рис. 1.7. Схема подключения высокочастотных устройств к ЛЭП: I, II – высокочастотные посты (связи, телеуправления, устройств защиты); П 1 , П 2 – приемно-передающие устройства; Ф 1 , Ф 2 – фильтры; С1, С2 – конденсаторы; L 1 , L 2 – дроссели заграждения, не пропускающие высокочастотные сигналы к силовому оборудованию; f 1 , f 2 – несущие частоты
Грозовые разряды (молнии) – это наиболее распространенный источник мощных электромагнитных помех естественного происхождения . По приближенным подсчетам в земную поверхность ежесекундно ударяют около ста молний. На окружающие предметы, электротехнические сооружения, средства связи, РЭС, живую природу молнии оказывают неблагоприятные воздействия:
− электростатическое;
− электромагнитное;
− динамическое;
− термическое;
− биологическое.
Удары молнии нередко приводят к гибели людей и наносят большой материальный ущерб.
Молния представляет собой разновидность газового разряда при очень большой длине искры. Общая длина канала молнии достигает нескольких километров. Источником молнии является грозовое облако, несущее в себе скопление объемных положительных и отрицательных зарядов. Образование таких объемных зарядов различной полярности в облаке (поляризация облака) связано с конденсацией вследствие охлаждения водяных паров восходящих потоков теплого воздуха на положительных и отрицательных капелек влаги в облаке под действием интенсивных восходящих воздушных потоков.
В природе различают три основных типа грозовых разрядов:
1. Линейная молния – имеет вид узкой полосы между облаком и землей, между облаками или между отдельными скоплениями объемных зарядов внутри облака.
2. Шаровая молния – ярко светящийся, подвижный, выпуклый, относительно устойчивый сгусток плазмы, возникающий и исчезающий по мало изученным в настоящее время причинам.
3. Тихие разряды – корона, возникающая в местах резкой неоднородности напряженности электрического поля на выступающих заземленных предметах в предгрозовой период и во время грозы.
Линейная молния (в дальнейшем молния) встречается в природе наиболее часто и является, по сравнению с другими видами грозовых разрядов, самым распространенным источником мощных электромагнитных помех.
Грозовой разряд развивается по различным путям. Внутриоблачные разряды чаще всего бывают во время гроз, возникающих высоко над землей. В таких условиях молнии легче развиваться от нижней части заряженного облака к верхней или наоборот, чем пройти долгий путь от основания облака, т.е. ближайшей к земле кромке, до земли. Внутриоблачные разряды нередко наблюдаются в засушливых районах, где облака выше над поверхностью земли, чем в районах с влажным климатом.
Для средних широт, где облака располагаются на высоте около 1 ÷ 3 км, число внутриоблачных разрядов и разрядов между облаками и землей почти одинаково.
Поляризация облака в процессе разделения зарядов происходит не одинаково. В 75 ÷ 85 % всех случаев основание облака несет отрицательный заряд, и в процессе разряда именно заряд этой полярности передается земле. При этом амплитудное значение тока молнии при отрицательной ее полярности в среднем в 1,5 ÷ 2 раза ниже, чем при положительной.
Механизм образования линейной молнии связан с постепенным накоплением разнополярных электрических зарядов на верхней и нижней частях облака и образованием вокруг него электрического поля возрастающей напряженности. Когда градиент потенциала в какой-либо точке облака достигает критического для воздуха значения (при нормальном атмосферном давлении около 3·10 6 В/м), в этом месте возникает молния, которая начинается лидерной стадией и завершается обратным (главным) разрядом. Главная стадия грозового разряда и является источником МЭМП. Ввиду того, что в облаке образуется несколько изолированных друг от друга скоплений зарядов, молния обычно бывает многократной, т.е. состоит из нескольких единичных разрядов, развивающихся по одному и тому же пути. Средняя продолжительность главного разряда 20 ÷ 50 мкс; число повторных разрядов может колебаться от 2 до 10 и более; интервал времени между повторными разрядами 0,001 ÷ 0,5 с. Как показывают измерения, разрядный ток молнии представляет собой импульс с быстрым нарастанием тока от нуля до максимума (фронт волны) и сравнительно медленным спадом (хвост волны).
При осуществлении мер защиты и определения электромагнитной обстановки (ЭМО) в той или иной области в качестве расчетных могут быть приняты следующие значения основных величин характеристики молнии.