Блискавка є глобальним явищем, на яке належить зважати усім, незалежно від виду діяльності та місця, у якому вона проходить. Її згубні наслідки відчувають як ті, хто працює чи відпочиває просто неба, так й ті, хто рубає вугілля глибоко під землею. Адже високі споруди надшахтних коперів* є надто привабливими для блискавок. Особливо згубними для підземних кабелів є грози у районах залягання вічної мерзлоти. Там блискавки можуть пробігати сотні метрів від точки ураження замерзлими рівнинами. І якщо дорогою трапиться підземний кабель, неодмінно пробивають його ізоляцію, не знайшовши кращого шляху розтікання у ґрунті. Всякий електрик знає, що коло, яким протікає струм, мусить бути замкненим. Де ж замикаються струми, які щороку породжують ті 1 500 000 000 блискавок, пересічний струм яких становить по 30 000 – 40 000 А? Виявляється – на полюсах нашої планети, де іноді цей процес стає видимим у формі полярного сяйва (ще один з видів метеорів). Важливим є захист від блискавок задля безпеки на транспорті. Тим більше, що зі зростом швидкостей та розмірів транспортних засобів зростає ступінь їхньої автоматизації. Електроніка стає все більш мініатюрною, скорочується її енергоспоживання за рахунок зниження робочих напруг і струмів. Натомість енергія імпульсних електромагнетних* полів спалахів блискавки залишається такою ж руйнівною, як і у часи динозаврів. Сиґнальні* системи всесвітньовідомих китайських швидкісних залізниць мають аж 7 різних фізичних каналів отримання інформації про рух потягів, швидкості яких наближається до 400 км/год. І усі вони, зрештою, перетворюються на електричний сиґнал*, тому проблема дотримання електромагнетної* сумісності (ЕМС) є тут вельми актуальною. Також і електричні силові мережі є відкритими для усіх природних метеофакторів, а від їхньої безвідмовної роботи залежать щодалі більше число сфер людської діяльності. У таблиці 1 [1], де представлено прояви згубної дії блискавок, нараховується 24 види споруд – від житлових будинків й до біохімічних лабораторій. Зрештою, четверта індустріальна революція «Industry 4.0» з її цифровізацією, великими даними, штучним інтелектом та Інтернетом речей (Digitalization, Big Data, AI, IoT) вже крокує світом, зв’язуючи усе те докупи тугими вузлами системи тотального контролю «5G Control Grid». Дослухаючись до пересторог щодо небезпек такого прогресу, згадаймо, що деякі теорії саме блискавкам приписують заслугу зародження життя на Землі. То ж на них таки зможемо сподіватися у справі відновлення вільних і суверенних прав людини від того контролю за подобою рятівного вірусу, що позбавив людство від нападу марсіян у відомому романі Герберта Уелсса.
Блискавка являє собою одне з тих явищ, коли певний ресурс, що формувався протягом довгого часу та у великому просторі, вивільнюється короткотривалим чином та ще й у концентрованому вигляді. Приклади можемо бачити у льодоході, повені, селі, зливі, сніговій лавині, тайфуні, ядерному вибуху, фінансовій кризі, соціальних потрясіннях. Накопичення електричної енергії блискавки починається з перетворення сонячної енергії на енергію пароутворення і конденсації води, результат чого ми спостерігаємо над головою чи не щодня. До цього додається енергія нагрітого повітря, яке підносить догори випарену воду, утворюючи ті метеори**, які (на відміну від хмар) мають у нашій мові назву – тучі*. На висоті 5000-6000 м вода замерзає, утворюючи часточки, з електричними зарядами протилежної полярності. Важчі «мінуси» залишаються у підошви тучі, тоді як легші «плюси» верхобіжні вітри женуть аж до 10000-12000 м. Така туча наливається свинцем й витягується догори, почасти з верхньої її частини висувається вбік довгий виступ. Американці звуть таку тучу ковадлом, бо буде гупати грім.
Оскільки більшість таких метеорів характеризуються від’ємним електричним зарядом «-» нижньої частини, на поверхні землі під тучею наростає заряд протилежного знаку «+». Що вищою є електропровідність ґрунту, тим більшим є цей позитивний заряд та напруженість електричного поля «туча-земля». З життєвого досвіду ми знаємо, що у передгрозовому напівмороку усе живе якось завмирає: не чути цвіркунів та пташок, ластівки ширяють при самій землі, стихає вітерець, усе живе намагається сховатися до якихось шпаринок, ніяково стає людям – так виглядає вплив позитивного електричного заряду на живу природу. Що ж коїться при цьому у небесній височині. Там збирається електричне «воїнство». Належить якимось чином накопичити достатньо енергії, аби її стало на створення струмопровідного каналу від тучі до землі. Цей процес відбувається у вигляді горизонтальних блискавок – між тучами або всередині тучі (IC – Intercloud). Згадаймо, що грози часто-густо починаються з протяжних гуркотів невидимих ще блискавок у небі, що завмирають десь вдалині. Отримавши можливість поглянути на нашу планету з висот космічної орбіти, людство дізналося, що більшість блискавок відбуваються саме у режимі (ІС), а їхня довжина у верхніх шарах атмосфери сягає десятків кілометрів. Подробиці цих, раніше невідомих процесів, дозволяють спостерігати нові інструменти, що потрапляють до рук вчених, які вивчають ці грізні але дуже скороминущі явища. Один з таких інструментів, систему локації блискавок (LLS), застосували науковці з Іспанії [2] для аналізу характеристик блискавок у дельті річки Ебро. Зокрема ними було виявлено, що енергія спалахів «туча-земля» (CG) зростає зі збільшенням довжини спалахів ІС.
Це дослідження додало наукового підтвердження багатовіковим спостереженням над природою. Увесь процес формування блискавки CG є надто швидким (вимірюється мілісекундами), аби його міг проаналізувати людський зір (одне моргання ока людини – 50 мс). Проте слух є більш тонким аналізатором послідовності подій***. Як згадувалося вище, слід чекати на спалахи «туча-земля» (CG), якщо тривалість гуркотіння блискавок ІС зростає. Адже у такому випадку відбувається електричне з’єднання усе більшого числа заряджених комірок у тучах. Звук від спалаху CG неважко відрізнити на слух – він більш «сухий» та гучний. Звукова хвиля породжується вибуховим розширенням каналу зворотного удару блискавки внаслідок миттєвого розігріву до 30 000°С газів атмосферного повітря. Розповсюдження надшвидкісних відеокамер породила нове хобі – фільмувати подробиці розвитку блискавки (пошук за гаслом: slow motion lightning strike). Те, що можна бачити на цих відео, зветься фазою ступінчатих лідерів блискавки і не характеризується ані яскравим світінням, ані звуком грому. Струми у цій фазі є незначними, у наукових публікаціях йдеться передовсім про частоту формування ступенів, якими, наче східцями, голівка лідеру стрибками у 50-100 м наближається від тучі до землі. За 200-300 м від поверхні проявляється дія того позитивного заряду, який зібрався у землі. Назустріч лідеру з усіх високих об’єктів починають формуватися зустрічні стримери. Чим з більшої площі збирає той чи інший об’єкт електричний заряд, тим потужнішим є зустрічний стример з його верхівки. У 2-3 стрибки лідера блискавки, кожен з яких триває 1,0 мс, відбувається зустріч низобіжного й верхобіжного феноменів, ситуація переходить до фази зворотного удару. На швидкісному відео бачити цього не можна – екран тотально засвічується сліпучо-білим. Це позитивний заряд від землі стримить догори, компенсуючи негативні заряди усіх тих комірок у тучах, які «зголосилися» об’єднатися для спалаху CG. Струми тут сягають десятків кілоамперів, блискавка мерехтить послідовністю імпульсів, яка налічує їх до 15-ти – адже комірок у тучах багато, належить роздати усім. За даними спостережень останніх років з’ясовано, що за одного спалаху блискавки виникає принаймні 2 точки контакту із земною поверхнею, що відображено у стандарті МЕК [3]. Стримерна фаза розвитку спалаху блискавки становить небезпеку передовсім для живих істот й для електронних пристроїв. Струми цієї фази сягають сотень амперів, але вони до того ж є високочастотними. Від цих стримерів не рятують блискавковідводи – вони лише за кілька мікросекунд спіймають головний лідер.
У інженерних розрахунках, які передують процесу проектування систем захисту від блискавки будівель і споруд, фігурує такий важливий фактор, як Ng – густина спалахів блискавки на 1 км2 протягом року. Довгі роки його вираховували на основі результатів спостереження на метеостанціях природних явищ за допомогою органів чуття людини. Звук грому людина чує за 11-12 км, залежно від рельєфу та характеру місцевості між спалахом та спостерігачем. Над гладінню озер звук лине без перешкод, тоді як заліснені схили ефективно поглинають його. Спалах блискавки є видимим за 40-42 км, але спостерігач має дивитися у його напрямку тієї короткої миті, коли він відбувається. Таким чином формувалися наступні показники. Число грозових днів протягом року Td або кераунічний рівень є середнім числом днів, протягом яких чути грім. Кераунічний рівень є лише покажчиком грозової активності, але ніяк не числа ударів у земну поверхню. За відсутності вимірювань густини ударів блискавок NG у тій чи іншій місцевості використовується перерахунок Td у NG за формулою, запропонованою 1984 р. Anderson зі співавторами
|
NG = 0,004 (Td) 1,25 |
(1) |
Також відома формула перерахунку, запропонована MacGorman зі співавторами, яка встановлює зв’язок між числом грозових годин Th протягом року та NG
|
NG = 0,054 (Th) 1,1 |
(2) |
У [4] подано іншу формулу
|
n = 0,067 Th |
(3) |
Хоча Th нібито краще, ніж Td, відображає інтенсивність гроз, аналіз залежності числа відключень ВПЛ схожої конфігурації демонструє, кращу залежність від Td, ніж від Th.
Розповсюдження LLS кладе край цим різнотлумаченням, оскільки вже подає показник NSG – число точок контакту спалахів блискавки з земною поверхнею. Дотримуючись курсу на євроінтеграцію, Україна гармонізує нормативну базу. Не оминув цей процес також і стандарти щодо систем захисту від блискавки. Так, від кінця серпня цього року буде відмінено вищезгаданий ДСТУ [4] і діючим залишаться лише чотири ДСТУ EN [5-8], які є ідентичними міжнародним. Таким чином формула (3) набуде такого ж довідкового характеру, як і дві попередні. Натомість відкриються кілька шляхів отримання показника NSG для об’єкту, розміщеного у певній місцевості. Українська LLS збирає ці показники від 2016 р. і знаходиться під опікою відділу супутникових досліджень УкрГМІ. Можна також вираховувати NG за будь-якою формулою, яка є доступною для проектувальника. Число грозових годин теж стає довідковою величиною і почерпнути його можна з мапи у відміненому ДСТУ [4]. Також деякі компанії, як от «Укренерго», опрацювали власні мапи – тож зможуть постачати відомості на комерційній основі. А перерахунок NG у NSG допоможе виконати формула з нової редакції [6], яка продовжує обговорюватися у технічному комітеті МЕК ТС81 Lightning protection:
NSG = 2NG
У наступних публікаціях приділимо увагу вибору оптимального переліку засобів захисту від блискавки.
ПРИМІТКИ
*деякі слова (особливо технічні терміни) почерпнуто автором зі словника r2u.org.ua, у якому донесено до нас збережену від помоскалення багату українську технічну термінологію. Та й досвід автора щодо перекладу технічних текстів з англійської показує, як добре побудова речень цієї міжнародної мови спілкування лягає в українську.
**метеор – на відміну від широковживаного тлумачення цього слові у Інтернеті, як сліду від метеорита, метеорологи розуміють його як усе те, що можна бачити (та ще й чути) над нашими головами – у атмосфері. «У метеорології, явище, яке спостерігаються у атмосфері або на поверхні Землі, відоме як метеор. Він може набувати форми опадів, суспензії рідини або твердих часток. Він може набувати форми оптичного або електричного явища. Метеори зазвичай є видимими для людського ока, але у випадку грому їх можна чути». (World Meteorological Organization. International Cloud Atlas).
туча – у багатій на слова українській мові грізність явища позначається словом «туча». З тучі може сипонути град, вдарити блискавка, тучею набігають вороги. Хмара не є ознакою небезпеки – може хіба прохолоду принести спекотного дня.
***українське «блискавка» найкращим чином, ніж аналоги з мов решти країн світу відображує послідовність подій у спалаху блискавки, яке людина здатна сприймати на слух. Отже, «блис» – це спалах (оптичний об’єкт); «кав» – перший імпульс струму блискавки; «ка» – другий імпульс. Тривалість другого імпульсу є меншою, ніж першого, тому «ка» є коротшим від «кав». Привертає увагу казахська назва блискавки «найзза» – саме так, як дзижчання й шипіння (а не гуркіт грому), чує спалах блискавки людина, яка опинилася достатньо близько від точки ураження.
ЛІТЕРАТУРА
1. ДСТУ EN 62305-1:2012 Захист від блискавки. Частина 1. Загальні принципи (EN 62305-1:2011, IDT)
2. Spatio-temporal dimension of lightning flashes based on three-dimensional
Lightning Mapping Array. Jesús A. Lópeza,*, Nicolau Pinedaa,b, Joan Montanyàa, Oscar van der Veldea, Ferran Fabróa, David Romeroa,
a Lightning Research Group, Technical University of Catalonia, Edifici TR1, Carrer Colom 1, Terrassa 08222, Spain
b Meteorological Service of Catalonia, Carrer Berlín 38-46, Barcelona 08029, Spain
3. IEC 62858:2015 Lightning density based on lightning location systems (LLS) – General principles.
4. ДСТУ Б В.2.5-38:2008 Інженерне обладнання будинків і споруд. Улаштування блискавкозахисту будівель і споруд (IEС 62305:2006, NEQ)
5. ДСТУ EN 62305-1:2012 Захист від блискавки. Частина 1. Загальні принципи (EN 62305-1:2011, IDT)
6. ДСТУ IEC 62305-2:2012 Захист від блискавки. Частина 2. Керування ризиками (IEC 62305-2:2010, IDT)
7. ДСТУ EN 62305-3:2012 Захист від блискавки. Частина 3. Фізичні руйнування споруд та небезпека для життя людей (EN 62305-3:2011, IDT)
8. ДСТУ EN 62305-4:2012 Захист від блискавки. Частина 4. Електричні та електронні системи, розташовані в будинках і спорудах (EN 62305-4:2011, IDT).
