Бояться ли молнии?

"Боитесь ли вы молнии" – мне неприятна такая постановка вопроса. Она по своей сути предполагает обреченность и безынициативность. Лучше уж обсуждать опасность молнии. Это слово  подразумевает конкретные воздействия, которые следует знать и от которых следует защищаться. Знание всегда активно. Оно предполагает ответные действия. Главная цель этой статьи – устранить мифические страхи и подтолкнуть читателя к эффективной защите от молнии.

Когда пугают молнией, в первую очередь называют напряжение на ее канале относительно земли. Сто миллионов вольт звучат очень впечатляюще, особенно для человека, который ненароком сунул пальцы в розетку с напряжением всего в 220 В. Не пытайтесь сопоставить эти два напряжения, чтобы оценить силу молнии. Такое сравнение не даст честного результата.  Прямой контакт с электрической сетью 220 В заставит вас в полной мере 220 В и почувствовать. А при ударе молнии в человека напряжение распределится прямо пропорционально по сопротивлениям молниевого канала и человеческого тела. Специалисты по технике безопасности  ориентируются на сопротивление человека в 1000 Ом. Сколько у молнии? Пока молниевый канал прорастает к земле, его проводимость не слишком велика. Сопротивление канала вполне может составлять 100 Ом на метр длины. При длине  в 5000 м (это вполне средняя цифра для молнии)  получается в 500 раз больше, чем у человека. Значит человек попадет не под 100 000 000 В, а всего под 200 000 В.

Понимаю, я вас особо не обрадовал. И все-таки 200 киловольт – это уже вполне земная цифра. В современной высоковольтной лаборатории есть источники с напряжением в десятки раз более высоким. Случалось ли их близкое "знакомство" с персоналом лабораторий? К сожалению, ответ положительный. Последствия? Самые печальные, хотя необязательно фатальные. Мой учитель, электротехник в третьем поколении, Е.Я. Рябкова на глазах корреспондента "Правды" (в те годы газета № 1) неосторожно приблизилась к  мощной батареи конденсаторов, заряженной едва ли не до 100 кВ. Она уцелела, а с корреспондентом случился обморок. Чтобы больше не возвращаться к последствиям прямого удара, скажу, что в лабораториях после контакта с источниками сверхвысокого напряжения, никто не стал экстрасенсом, не приобрел способностей видеть сквозь одежду и не получил никаких других чудодейственных свойств, о которых так любят вещать по телевизору. К тому же прямой удар в человека – явление исключительно редкое.

Пример с законом Ома понадобился мне для того, чтобы обратить ваше внимание на последствия большой протяженности канала молнии.  Она часто и очень заметно ослабляет опасные воздействия. За время молниевой вспышки по ее каналу протекает заряд до 200 Кл.  Если умножить эту величину, на напряжение 100 МВ (напряжение молнии удобнее записывать в мегавольтах) получится 200 х 100 = 20 000 МДж – именно столько энергии рассеивает молния  в своем полете. Это вполне весомая величина. Энергии хватит для питания электродвигателя мощностью 1 кВт едва ли не на 8 месяцев. И все же никто не рискнет решать энергетические проблемы при помощи молнии. Вся ее энергия почти равномерно распределена на длине 3 - 5, а то и 10 километров, где она без пользы греет воздух.  В точке контакта с металлической поверхностью тоже выделяется тепло. К счастью, не так уж много, - не больше 2000 Дж. Такого хватит, чтобы вскипятить примерно половину стакана воды. Тем не менее, этой малости достаточно, чтобы проплавить кровлю дома из металлопрофиля или металлочерепицы. С толстым стальным листом (толще 4 мм) молния не справится. Когда с Останкинской телебашни сняли флагшток, простоявший там несколько лет, на его стальном наконечнике увидели много следов проплавлений в точках удара молний.  Поверхность походила на кожу проболевшего оспой. Самый большой след едва достигал 1 см в диаметре и 1 мм по глубине.

Наконечник флагштока с Останкинской телебашни.
Острие разрушено примерно 200 молниями, попавшими в него.

Опасно ли такое? Для конструкций башенного крана безусловно нет. Молниевую царапину даже не разглядеть на массивных фермах. Не так давно мне пришлось отвечать на судебный запрос. Арбитражному суду требовалось оценить возможность надежного определения факта удара молнии внешним осмотром металлоконструкций. Пришлось беспомощно развести руками. С другой стороны, прожег металлической кровли дома – прямая дорога к пожару и это не может не беспокоить домовладельца.  Еще опаснее проплавление тонкой металлической трубки  датчика или малогабаритной антенны. Для летательного аппарата такое может закончиться печально.

Авиаторы с уважением относятся к молнии, хотя она практически никогда не прожигает дюралевую обшивку самолета. Обшивка эта совсем не толстая, ей далеко до тех 4 мм, которые не по зубам даже мощнейшему разряду. Причина в том, что поток воздуха сдувает точку контакта раскаленного канала с обшивкой. Действие молниевого тока оказывается распределенным по достаточно заметной длине и металл не успевает плавиться.

Кроме повреждений датчиков и антенн пилоты обязательно вспомнят про помпаж двигателя. Подростком мне пришлось столкнуться с молнией едва ли не вплотную. Она ударила перед окном  в десятке метров от  нашего трехэтажного дома. Раскат грома оглушил меня на несколько минут. Молния рождает очень сильную ударную волну. Проникнув в воздухозаборник реактивного двигателя, мощный поток воздуха полностью сдувает и выносит прочь все продукты горения. Двигатель глохнет.  Это и есть помпаж. Повторный  запуск двигателя в полете требует от пилота большого мужества и удачи. Сразу отмечу, помпаж не грозит современным авиалайнерам с двигателями на пилонах крыльев. Молнии туда не добраться.

Еще сильнее ударная волна в плотных средах, например в воде. Развита целая отрасль промышленности, использующая электрогидравлический эффект для дробления твердых материалов электроискровыми разрядами в жидкости. Видели когда-нибудь содранную полосу коры с верхушки дерева едва ли не до комля? Это работа электрогидравлического воздействия. После удара в дерево ток молнии распространялся по наиболее проводящей части ствола, между древесиной и корой. Почти мгновенное испарение влаги повысило там давление, отщепив кору.  Примерно по той же причине опасен контакт молнии с современными композитными материалами, если их компоненты генерируют газ при нагреве. Расколотая металлочерепица в месте удара молнии как раз из этой серии. Специалисты с тревогой наблюдают за массовым внедрением композитов в конструкцию летательных аппаратов. Здесь далеко не все ясно. Нужны дополнительные исследования.

Все перечисленное выше, непосредственно связано с прямым контактом объекта с каналом молнии. Поэтому выбор средств защиты особой проблемы здесь не представляет. Достаточно, например, поставить молниеотвод на крыше дома, чтобы сохранить его кровлю. Так же можно защитить антенну, в т.ч. отчаянно рекламируемые сегодня "тарелки", обещающие сотню телевизионных каналов. Что же касается антенн и датчиков летательных аппаратов, то разумный конструктор сумеет разместить их в недоступных для молнии местах. Совсем иная ситуация с электромагнитным полем молнии. О нем уже упоминалось в предыдущей статье. По закону Фарадея в любом контуре это поле наводит ЭДС магнитной индукции, будь то провода линии электропередачи, что идут к вашему дому, кабель телевизионной антенны или соединительные проводники компьютера. Современная микропроцессорная техника очень чувствительна к наводкам. Много ли надо, чтобы повредить электронный блок с рабочим напряжением 3 – 5 В! Хорошо еще если это бытовая техника. Конечно, она стоит дорого, но при повреждении будут потеряны только деньги. В промышленности ситуация несопоставимо тяжелее.  Представьте себе отказ автоматической системы управления  производством. Счет потерь наверняка пойдет на миллионы. Известен случай, когда один единственный удар молнии из-за повреждения релейной защиты отключил 8 абсолютно здоровых и не в нем неповинных линий электропередачи напряжением 110 кВ. Без электроэнергии был оставлен район с миллионным населением.

Одна из стоек с УЗИП для защиты цепей управления и автоматики
современной компрессорной станции.

Молниеотводами от электромагнитного поля не защитить - оно способно действовать на расстоянии. Вот почему  особо ответственные цепи управления приходится оборудовать специальными устройствами для защиты от электромагнитных перенапряжений (УЗИП). Число таких совсем недешевых УЗИП на современном техническом объекте исчисляется сотнями, иногда тысячами.  Их работа далека от абсолютной надежности, а потому приходится оборудовать еще одну систему, которая должна контролировать установленные защитные средства. Получается очень сложно, а значит не очень надежно. Проблема ждет своего кардинального решения.

Как видите, опасность молнии  не стоит преувеличивать, но много хуже ею пренебрегать.

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