Почему люди боятся молнии?

Сама постановка вопроса о страхе перед молниями, на мой взгляд, вводит нас в заблуждение. Думается, что страх предполагает некоторую обречённость при взгляде на опасность. Более корректно в данном случае говорить о том, что мы опасаемся данного атмосферного явления. Осознанная опасность – это не страх, это уже чувство более рациональное и правильное. Оно стимулирует нашу деятельность по защите от негативных воздействий, с которыми мы можем столкнуться. В этом материале мы постараемся более подробно рассказать о молнии и о тех заблуждениях, которые с ней связаны у многих обывателей.

Итак, первое, о чём здесь стоит поговорить, ‒ это гигантское напряжение, которым так часто нас пугают различные популяризаторы. Как правило, звучат цифры на уровне 100 миллионов вольт. Согласитесь, цифра эта кажется буквально фантастической, подавляющей, особенно для человека, который привык иметь дело с бытовыми электроприборами и сетью в 220 вольт. Люди, которых било бытовым током, прекрасно понимают, что и его достаточно, чтобы получить крайне неприятные ощущения и даже травмы.

Однако не следует проводить прямую экстраполяцию данных ощущений, умножая их в миллионы раз. Дело в том, что конечное напряжение, с которым имеет дело человек при попадании молнии, связано в том числе с сопротивлением, которое оказывает человеческое тело. Как правило, техники, занимающиеся молниезащитой, считают, что наше тело имеет сопротивление на уровне 1 тысячи Ом. Для молниевого канала этот показатель составляет примерно 100 Ом на метр. А длина такого канала ‒ в среднем 5 километров. То есть его сопротивление приблизительно в 500 раз выше, чем у человеческого тела. А это, в свою очередь, означает, что при ударе электрического разряда речь идёт уже не о сотнях миллионов вольт, а всего о двухстах тысячах.

Понятно, что и двести тысяч – это цифра страшная. Однако она уже не кажется такой гигантской, и с ней вполне можно работать. Более того, люди подчинили себе электричество, и существуют современные установки, генерирующие разряды, в десятки раз большие, чем 200 тысяч вольт. Такие установки используются в некоторых лабораториях. Более того, зарегистрированы случаи, когда удар в 100 киловольт не убивал человека, хотя и наносил ему серьёзные повреждения. К тому же нужно понимать, что прямое попадание разряда в человека – это событие исключительное, и случается она крайне редко.

Описанный выше пример с расчётом напряжения, воздействующего на человеческое тело, показывает, насколько существенно может ослабляться разрушительная сила молниевого разряда в зависимости от длины канала, по которому он проходит. Вот ещё один простой пример на основании расчётов. Давайте вычислим, сколько же энергии несёт в себе один разряд во время грозы. Как правило, по каналу проходит заряд размером не более 200 Кл. Чтобы высчитать энергию, умножим этот показатель на 100 миллионов вольт. В результате получим величину, равную 20 тысячам мегаджоулей. Это огромная цифра. Такого заряда хватит, чтобы киловатный электродвигатель проработал около восьми месяцев без остановок. Казалось бы – отличный источник энергии, только нужно научиться его улавливать. Однако здесь всё не так просто. Дело в том, что этот мощнейший заряд растянут на огромные расстояния. В среднем длина канала ‒ около пяти километров, но может составлять и десять. На всём протяжении канала энергия просто равномерно уходит в воздух в виде тепла. На самом конце молнии при контакте с какой-либо поверхностью выделяется тепловая энергия всего в 2 килоджоуля. Этого даже не хватит, чтобы закипел стакан воды. Но при этом краткосрочного разряда в маленькой точке достаточно для того, чтобы проплавить тонкий металл, например, на металлической кровле. А вот сталь толщиной в 4 миллиметра молния уже не пробивает, просто нагревая её.

Есть наглядный пример того, насколько слабой разрушительной силой может обладать молния, – это кончик металлического флагштока на Останкинской телебашне. Его периодически меняют. После двух лет работы на нём заметны следы примерно от двухсот попавших в него грозовых разрядов. И самый большой из них имеет диаметр менее сантиметра. Опасны ли такие царапины для больших металлических конструкций типа башенного крана? Думаю, ответ очевиден – совершенно неопасны. Такие следы будут, скорее всего, даже не заметны на крупных металлических элементах. На одном из судебных заседаний, где требовалось доказать, что следы от молнии можно обнаружить как раз таки на кране после визуального осмотра, эксперты не смогли ничем помочь. Однако это не значит, что удар молнии безопасен. Тонкую сталь он всё же легко прожигает, так что попадание разряда в крышу из металлочерепицы – это очевидный путь к пожару и другим неприятным последствиям.

Множество опасений, связанных с молнией, имеют отношение к авиации. Действительно, лётчики с опаской относятся к этому атмосферному явлению, так как оно может вывести некоторые узлы самолёта из строя. При этом о серьёзных повреждениях фюзеляжа речи не идёт. Дело в том, что самолёт движется с большой скоростью. Набегающий поток ветра сметает точку, в которой молния контактирует с корпусом самолёта. В результате она не проплавляется. А вот различным электрическим приборам такой удар может нанести ощутимый вред, выведя их из строя полностью или приведя к значительным временным сбоям.

Помимо проблем с электроникой молния может вызвать и другие неприятности. Одна из самых серьёзных из них ‒ это так называемый помпаж двигателей. Он был особенно актуален раньше, когда двигатели не выносились на пилоны крыльев.

Это явление, по сути, является ударной волной. Если вам не повезёт, и вы станете свидетелем удара молнии в 10‒20 метрах от себя, то сами убедитесь, насколько эта волна сильна. Она может оглушить и даже контузить человека. Эта же волна при попадании в двигатель буквально выдувает из него горючую смесь. В результате турбины глохнут, а запустить их заново не всегда удаётся.

Из школьного курса физики мы знаем, что ударная волна тем сильнее, чем выше плотность среды, в которой она распространяется. Например, её мощность в воде будет в разы больше, чем в воздухе. Это свойство волн широко используется в промышленности: например, при гидравлическом дроблении. В случае с молнией оно также приводит к любопытному эффекту. Так, например, под воздействием электрогидравлического удара из деревьев, в которые бьёт молния, буквально вырываются целые полосы коры. Разрыв проходит по столь интересному пути, так как электричество распространяется по самой влажной и токопроводящей части ствола – по участку между корой и основной древесиной. Именно здесь протекает древесный сок. Он практически мгновенно испаряется, что приводит к мощному удару и отщеплению коры по всей длине ствола.

Сходный эффект может возникнуть, если разряд попадает в композитный материал, между слоями которого при нагреве может выделяться газ. Такие композиты могут применяться, в частности, в строительстве. Но опаснее всего их использование в авиационной промышленности. Здесь композиты применяются всё более массово, так что требуют более тщательного исследования на предмет защиты от атмосферных разрядов.

Приведённые выше примеры описывают ситуации, при которых молния попадает непосредственно в объект, будь то дом или человеческое тело. От таких воздействий мы можем легко защищаться. Например, с помощью простого громоотвода можно обезопасить свой дом с металлочерепицей от попадания в него молнии. Система молниеотводов также защитит крупные антенны и металлические конструкции промышленных предприятий. В самолётах наружные элементы электроники можно расположить так, чтобы до них просто не добрались опасные разряды.

Но есть фактор, защититься от которого с помощью громоотвода не получится. Это электромагнитное поле, которое легко выводит из строя электронику даже без непосредственного контакта с молниевым каналом. Для того чтобы повредить процессор компьютера или другую слаботочную систему, работающую с напряжением 3‒5 вольт, не нужно каких-то экстремальных показателей индукции. Поэтому в грозу могут повреждаться телевизоры, компьютеры и другая бытовая электроника. Более того, от подобных проблем не защищены и крупные промышленные объекты. Не так давно из-за грозы вышло из строя защитное реле на электростанции. В результате без электричества на длительное время осталось более миллиона человек в крупном городском районе. При этом непосредственного попадания молнии в электростанцию не было, она была защищена от подобных неприятностей с помощью громоотводов.

Дело в том, что электромагнитное поле действует на определённом расстоянии от молниевого канала, которым вызвано. Для защиты от него современное оборудование и крупные промышленные объекты оснащены специальными приборами УЗИП. Они автоматически отключают систему в случае возникновения критических электромагнитных колебаний. К сожалению, такие системы пока ещё не очень надёжны, их требуется много (на крупном предприятии понадобится устанавливать сотни и даже тысячи таких приборов). Даже при установке всех систем они не защищают от электромагнитного поля на сто процентов. Но над данной проблемой продолжают работать инженеры во всём мире, так что и она должна быть решена.

Как видно, молния – это явление, которого действительно нужно опасаться, а вот бояться его не стоит. При должной защите большинства критических повреждений, с ней связанных, можно избежать.