Come si forma una nube temporalesca?

Cosa sai di una nuvola temporalesca?

In media, si ritiene che una nube temporalesca abbia un diametro di 20 km e la sua durata di vita sia di 30 minuti. In ogni momento sul globo si trovano, secondo varie stime, dalle 1800 alle 2000 nubi temporalesche. Ciò corrisponde a 100.000 temporali sul pianeta ogni anno. Circa il 10% di essi diventa estremamente pericoloso.

In generale, l'atmosfera dovrebbe essere instabile: le masse d'aria vicino alla superficie terrestre dovrebbero essere più leggere dell'aria situata negli strati più alti. Ciò è possibile quando la superficie sottostante e la massa d'aria da essa derivante si riscaldano, nonché in presenza di elevata umidità dell'aria, che è la situazione più comune. Forse per qualche motivo dinamico, l'ingresso di masse d'aria più fredde negli strati sovrastanti. Di conseguenza, nell'atmosfera, i volumi di aria più calda e più umida, guadagnando galleggiamento, si precipitano verso l'alto e le particelle più fredde dagli strati superiori affondano. In questo modo il calore che la superficie terrestre riceve dal sole viene trasportato agli strati sovrastanti dell'atmosfera. Tale convezione è chiamata libera. Nelle zone di fronti atmosferici, in montagna, è intensificato dal meccanismo forzato di risalita delle masse d'aria.

Il vapore acqueo contenuto nell'aria che sale si raffredda e si condensa, formando nuvole e rilasciando calore. Le nuvole crescono verso l'alto, raggiungendo altitudini dove si osservano temperature negative. Alcune particelle delle nuvole si congelano, mentre altre rimangono liquide. Entrambi hanno una carica elettrica. Le particelle di ghiaccio solitamente hanno una carica positiva, mentre le particelle liquide hanno solitamente una carica negativa. Le particelle continuano a crescere e iniziano a depositarsi nel campo gravitazionale: si forma la precipitazione. Le spese spaziali si accumulano. Nella parte superiore della nuvola si forma una carica positiva e nella parte inferiore una carica negativa (infatti si nota una struttura più complessa, possono esserci 4 cariche spaziali, a volte può essere inversa, ecc.). Quando l'intensità del campo elettrico raggiunge un valore critico, si verifica una scarica: vediamo un fulmine e, dopo un po ', sentiamo un'onda sonora o un tuono proveniente da esso.

Tipicamente, una nube temporalesca attraversa tre fasi durante il suo ciclo vitale: formazione, massimo sviluppo e dissipazione.

Nella prima fase, i cumuli crescono verso l'alto a causa dei movimenti d'aria verso l'alto. I cumuli appaiono come bellissime torri bianche. In questa fase non sono previste precipitazioni, ma non sono esclusi fulmini. L'operazione potrebbe richiedere circa 10 minuti.

Nella fase di massimo sviluppo, i movimenti verso l'alto nella nuvola continuano ancora, ma allo stesso tempo le precipitazioni stanno già iniziando a cadere dalla nuvola e compaiono forti movimenti verso il basso. E quando questo flusso di precipitazioni raffreddato verso il basso raggiunge il suolo, si forma un fronte di raffiche, o linea di burrasca. Lo stadio di massimo sviluppo delle nubi è il momento in cui è più probabile che si verifichino forti piogge, grandine, fulmini frequenti, burrasche e tornado. La nuvola è solitamente di colore scuro. Questa fase dura dai 10 ai 20 minuti, ma può essere più lunga.

Alla fine, le precipitazioni e le correnti discendenti iniziano a erodere la nuvola. Sulla superficie della terra, la linea delle raffiche si allontana dalla nuvola, tagliandola fuori dalla fonte di alimentazione dell'aria calda e umida. L'intensità della pioggia sta diminuendo, ma i fulmini restano un pericolo.

A causa della sua completa imprevedibilità e dell'enorme potere fulmine(scariche di fulmini), rappresentano un potenziale pericolo per numerosi impianti energetici. La scienza moderna ha accumulato una grande quantità di informazioni teoriche e dati pratici a riguardo protezione contro i fulmini e l'attività temporalesca, e ciò consente di risolvere gravi problemi legati alla protezione contro i fulmini delle infrastrutture energetiche industriali e civili. Questo articolo discute il fisico natura dei fenomeni temporaleschi e il comportamento dei fulmini, la cui conoscenza sarà utile per predisporre un'efficace protezione contro i fulmini e realizzare un sistema di messa a terra integrato delle sottostazioni elettriche.

Natura dei fulmini e delle nubi temporalesche

Nella stagione calda alle medie latitudini, durante il movimento di un ciclone, con umidità sufficiente e forti correnti d'aria ascensionali, si verificano spesso scariche temporalesche (fulmini). La ragione di questo fenomeno naturale è l'enorme concentrazione di elettricità atmosferica (particelle cariche) nelle nuvole temporalesche, in cui, in presenza di correnti ascensionali, avviene la separazione delle cariche negative e positive con l'accumulo di particelle cariche in diverse parti della nuvola. Oggi esistono diverse teorie sull'elettricità atmosferica e sull'elettrificazione delle nubi temporalesche, come i fattori più importanti che hanno un impatto diretto sulla progettazione e creazione di una protezione completa contro i fulmini e sulla messa a terra delle strutture elettriche.

Secondo i concetti moderni, la formazione di particelle cariche nelle nuvole è associata alla presenza di un campo elettrico vicino alla Terra con carica negativa. Vicino alla superficie del pianeta, l’intensità del campo elettrico è di 100 V/m. Questo valore è lo stesso quasi ovunque e non dipende dal tempo e dal luogo delle misurazioni. Il campo elettrico terrestre è causato dalla presenza di particelle cariche libere nell'aria atmosferica, che sono in costante movimento.

Ad esempio, in 1 cm3 di aria ci sono più di 600 particelle cariche positivamente e altrettante particelle cariche negativamente. Quando ci si allontana dalla superficie terrestre, la densità delle particelle cariche nell'aria aumenta notevolmente. In prossimità del suolo la conduttività elettrica dell'aria è trascurabile, ma già ad altitudini superiori a 80 km la conduttività elettrica aumenta di 3.000.000.000 (!) di volte e diventa pari alla conduttività dell'acqua dolce. Se tracciamo analogie, in prima approssimazione il nostro pianeta può essere paragonato a un enorme condensatore a forma di palla.

In questo caso, come copertura vengono prese la superficie della Terra e lo strato d'aria concentrato ad un'altitudine di ottanta chilometri sopra la superficie terrestre. Una parte dell'atmosfera spessa 80 km, che ha una bassa conduttività elettrica, funge da isolante. Tra le piastre di un condensatore virtuale si verifica una tensione fino a 200 kV e la corrente può arrivare fino a 1.400 A. Un tale condensatore ha una potenza incredibile: circa 300.000 kW (!). Nel campo elettrico del pianeta, a un'altitudine compresa tra 1 e 8 chilometri dalla superficie terrestre, si condensano particelle cariche e si verificano fenomeni temporaleschi, che peggiorano l'ambiente elettromagnetico e sono fonte di rumore impulsivo nei sistemi energetici.

I fenomeni temporaleschi si classificano in temporali frontali e termici. Nella fig. La Figura 1 mostra un diagramma dell'aspetto di un temporale termico. A causa dell'intensa irradiazione dei raggi solari, la superficie terrestre si riscalda. Parte dell'energia termica passa nell'atmosfera e riscalda i suoi strati inferiori. Le masse d'aria calda si espandono e salgono più in alto. Già ad un'altitudine di due chilometri raggiungono un'area a basse temperature, dove l'umidità si condensa e compaiono nubi temporalesche. Queste nuvole sono costituite da microscopiche gocce d'acqua che trasportano una carica. Di norma, le nubi temporalesche si formano nel pomeriggio nelle calde giornate estive e sono di dimensioni relativamente piccole.

I temporali frontali si formano quando due flussi d'aria con temperature diverse si scontrano frontalmente. Il flusso d'aria a bassa temperatura cade verso il basso, più vicino al suolo, e le masse d'aria calda si precipitano verso l'alto (Fig. 2). Le nubi temporalesche si formano ad altitudini con basse temperature, dove l'aria umida si condensa. I temporali frontali possono essere piuttosto lunghi e coprire un'area significativa.

Allo stesso tempo, l'ambiente elettromagnetico di fondo viene notevolmente distorto, causando rumore impulsivo nelle reti elettriche. Tali fronti si muovono a velocità comprese tra 5 e 150 km/h e oltre. A differenza dei temporali termici, i temporali frontali sono attivi quasi 24 ore su 24 e rappresentano un serio pericolo per gli impianti industriali che non sono dotati di un sistema di protezione contro i fulmini e di un'efficace messa a terra. Quando l'aria fredda si condensa in un campo elettrico, si formano gocce d'acqua polarizzate (Fig. 3): c'è una carica positiva nella parte inferiore delle gocce, e una carica negativa nella parte superiore.

A causa dell'aumento delle correnti d'aria, le gocce d'acqua si separano: quelle più piccole salgono verso l'alto e quelle più grandi cadono più in basso. Mentre la goccia si muove verso l'alto, la parte caricata negativamente della goccia attrae le cariche positive e respinge quelle negative. Di conseguenza, la goccia si carica positivamente perché raccoglie gradualmente una carica positiva. Le gocce che cadono attirano cariche negative e si caricano negativamente mentre cadono.

La divisione delle particelle cariche in una nube temporalesca avviene in modo simile: le particelle cariche positivamente si accumulano nello strato superiore e quelle cariche negativamente si accumulano nello strato inferiore. Una nube temporalesca non è praticamente un conduttore, e per questo motivo le cariche vengono trattenute per qualche tempo. Se un campo elettrico più forte della nuvola influenza il campo elettrico del “tempo sereno”, cambierà direzione nella sua posizione (Fig. 4).

La distribuzione delle particelle cariche nella massa della nube è estremamente disomogenea:
in alcuni punti la densità ha un valore massimo, in altri un valore piccolo. Nel luogo in cui si accumulano un gran numero di cariche e si forma un forte campo elettrico con un'intensità critica dell'ordine di 25-30 kV/cm, si creano le condizioni adatte per la formazione di fulmini. Una scarica di fulmine è simile ad una scintilla osservata nello spazio tra gli elettrodi che sono buoni conduttori di elettricità.

Ionizzazione dell'aria atmosferica

L'aria atmosferica è costituita da una miscela di gas: azoto, ossigeno, gas inerti e vapore acqueo. Gli atomi di questi gas si combinano in legami forti e stabili, formando molecole. Ogni atomo è un nucleo di protoni che ha una carica positiva. Gli elettroni con carica negativa (“nuvola di elettroni”) ruotano attorno al nucleo.

In termini quantitativi, la carica del nucleo e la carica totale degli elettroni sono uguali tra loro. Durante la ionizzazione, gli elettroni lasciano un atomo (molecola). Durante il processo di ionizzazione atmosferica si formano 2 particelle cariche: uno ione positivo (nucleo con elettroni) e uno ione negativo (elettrone libero). Come molti fenomeni fisici, la ionizzazione richiede una certa quantità di energia, chiamata energia di ionizzazione dell'aria.

Quando nello strato d'aria formato da 2 elettrodi conduttori si forma una tensione sufficiente, tutte le particelle cariche libere, sotto l'influenza dell'intensità del campo elettrico, inizieranno a muoversi in modo ordinato. La massa di un elettrone è molte volte (10.000 ... 100.000 volte) inferiore alla massa del nucleo. Di conseguenza, quando un elettrone libero si muove nel campo elettrico dello strato d'aria, la velocità di questa particella carica è molto maggiore della velocità del nucleo. Possedendo uno slancio significativo, l'elettrone rimuove facilmente nuovi elettroni dalle molecole, rendendo così la ionizzazione più intensa. Questo fenomeno è chiamato ionizzazione da impatto (Fig. 5).

Tuttavia, non tutte le collisioni comportano la rimozione di un elettrone dalla molecola. In alcuni casi, gli elettroni si spostano su orbite instabili lontane dal nucleo. Tali elettroni ricevono parte dell'energia dall'elettrone in collisione, che porta all'eccitazione della molecola (Fig. 6.).

Il periodo di “vita” di una molecola eccitata è di soli 10-10 secondi, dopodiché l'elettrone ritorna alla sua orbita precedente, più energeticamente stabile.

Quando l'elettrone ritorna su un'orbita stabile, la molecola eccitata emette un fotone. Il fotone, a sua volta, in determinate condizioni può ionizzare altre molecole. Questo processo è stato chiamato fotoionizzazione (Fig. 7). Esistono anche altre fonti di fotoionizzazione: raggi cosmici ad alta energia, onde di luce ultravioletta, radiazioni radioattive, ecc. (Fig. 8).

Di norma, la ionizzazione delle molecole d'aria avviene a temperature elevate. All’aumentare della temperatura, le molecole d’aria e gli elettroni liberi che partecipano al movimento termico (caotico) acquisiscono maggiore energia e si scontrano tra loro più spesso. Il risultato di tali collisioni è la ionizzazione dell'aria, chiamata ionizzazione termica. Tuttavia, possono verificarsi anche processi inversi quando le particelle cariche neutralizzano le proprie cariche (ricombinazione). Durante il processo di ricombinazione si osserva un'intensa emissione di fotoni.

Formazione di stelle filanti e scarica corona

Quando l'intensità del campo elettrico nel traferro tra le piastre cariche aumenta fino a raggiungere valori critici, può svilupparsi la ionizzazione da impatto, che è una causa comune di interferenze pulsate ad alta frequenza. La sua essenza è la seguente: dopo la ionizzazione di una molecola da parte di un elettrone, compaiono due elettroni liberi e uno ione positivo. Le successive collisioni portano alla comparsa di 4 elettroni liberi e 3 ioni con carica positiva.

Pertanto, la ionizzazione assume un carattere simile a una valanga, che è accompagnata dalla formazione di un numero enorme di elettroni liberi e ioni positivi (Fig. 9 e 10). Gli ioni positivi si accumulano vicino all'elettrodo negativo e gli elettroni caricati negativamente si spostano verso l'elettrodo positivo.

Durante il processo di ionizzazione, gli elettroni liberi acquisiscono maggiore mobilità rispetto agli ioni, quindi questi ultimi possono essere condizionatamente considerati particelle immobili. Quando gli elettroni si spostano verso l'elettrodo positivo, le restanti cariche positive hanno una forte influenza sullo stato del campo elettrico, portando così ad un aumento della sua intensità. Un gran numero di fotoni accelera la ionizzazione dell'aria vicino all'anodo e contribuisce alla formazione di elettroni secondari (Fig. 11), che sono fonti di valanghe ripetute (Fig. 12).

Le valanghe secondarie risultanti si spostano verso l'anodo, dove si concentra la carica positiva. Gli elettroni liberi sfondano la carica spaziale positiva, portando alla formazione di un canale piuttosto stretto (streamer) in cui si trova il plasma. Grazie alla sua ottima conduttività, lo streamer “estende” l'anodo, mentre il processo di formazione di valanghe di elettroni liberi accelera e si verifica un ulteriore aumento dell'intensità del campo elettrico (Fig. 13 e 14), spostandosi verso la testa dello streamer . Gli elettroni aggiuntivi si mescolano con gli ioni positivi, portando nuovamente alla formazione di plasma, che allunga il canale dello streamer.

Riso. 13. Un aumento dell’intensità del campo elettrico è accompagnato da una maggiore fotoionizzazione e genera nuove valanghe di particelle cariche

Dopo che lo streamer ha riempito lo spazio libero, inizia la fase di scintilla della scarica (Fig. 15), caratterizzata dalla potentissima ionizzazione termica dello spazio e dall'ultraconduttività del canale del plasma.

Il processo di formazione degli streamer descritto è valido per piccoli gap caratterizzati da un campo elettrico uniforme. Tuttavia, a seconda della loro forma, tutti i campi elettrici si dividono in omogenei, leggermente disomogenei e fortemente disomogenei:

• All'interno di un campo elettrico uniforme, l'intensità lungo le linee del campo è caratterizzata da un valore costante. Come ad esempio, il campo elettrico nella parte centrale di un condensatore a piastre parallele.
• In un campo debolmente disomogeneo i valori di intensità misurati lungo le linee di campo differiscono al massimo di 2...3 volte; tale campo è considerato debolmente disomogeneo. Ad esempio, il campo elettrico tra 2 spinterometri sferici o il campo elettrico che si crea tra l'involucro di un cavo schermato e il suo nucleo.
• Un campo elettrico si dice altamente disomogeneo se è caratterizzato da notevoli sbalzi di intensità, che comportano un grave deterioramento dell'ambiente elettromagnetico. Negli impianti elettrici industriali, di norma, i campi elettrici hanno una forma altamente non uniforme, che richiede dispositivi di controllo della compatibilità elettromagnetica.

In un campo altamente disomogeneo, i processi di ionizzazione vengono raccolti vicino all'elettrodo positivo o negativo. Pertanto, la scarica non può raggiungere lo stadio di scintilla, e in questo caso la carica si forma sotto forma di corona (“scarica corona”). Con un ulteriore aumento dell'intensità del campo elettrico si formano delle stelle filanti nel traferro e si verifica una scarica di scintilla. Quindi, se la lunghezza dello spazio è di un metro, la scarica della scintilla avviene con un'intensità di campo di circa 10 kV/cm.

Forma leader della scarica del fulmine

Con un traferro di diversi metri, gli streamer emergenti non hanno una conduttività sufficiente per sviluppare una scarica completa. Mentre lo streamer si muove, si forma una scarica di fulmini, che assume la forma di un leader. Una parte del canale, chiamata leader, è piena di particelle ionizzate termicamente. Una quantità significativa di particelle cariche è concentrata nel canale leader, la cui densità è molto superiore alla media dello streamer. Questa proprietà fornisce buone condizioni per la formazione di uno streamer e la sua trasformazione in leader.

Riso. 16. Il processo di movimento dello streamer e l'emergere di un leader negativo (AB – valanga iniziale; CD – streamer formato).

Nella fig. La Figura 16 mostra lo schema classico per l'emergere di un leader negativo. Un flusso di elettroni liberi si sposta dal catodo all'anodo. I coni ombreggiati mostrano le valanghe di elettroni risultanti, e le traiettorie dei fotoni emessi sono mostrate sotto forma di linee ondulate. In ogni valanga, quando gli elettroni si scontrano, l'aria viene ionizzata e i fotoni risultanti ionizzano successivamente altre molecole d'aria. La ionizzazione assume un carattere di massa e numerose valanghe si fondono in un unico canale. La velocità dei fotoni è 3*108 m/s e la velocità degli elettroni che si muovono liberamente nella parte anteriore della valanga è 1,5*105 m/s.

Lo sviluppo di uno streamer avviene più velocemente dell'avanzamento di una valanga di elettroni. Nella fig. La Figura 16 mostra che durante il tempo in cui la prima valanga percorre la distanza AB, sul segmento CD si forma un canale streamer con ultraconduttività su tutta la sua lunghezza. Uno streamer standard si muove ad una velocità media di 106-107 m/s. Se gli elettroni liberi hanno una concentrazione sufficientemente elevata, nel canale dello streamer si verifica un'intensa ionizzazione termica, che porta alla comparsa di un leader: una struttura lineare con una componente plasmatica.

Man mano che il leader si muove, nella sua parte terminale si formano nuovi nastri che in seguito diventeranno anche il leader. Nella fig. La Figura 17 mostra lo sviluppo di un leader negativo in un traferro con un campo elettrico non uniforme: il leader si muove lungo il canale streamer (Fig. 17a); una volta completata la trasformazione del canale dello streamer in un leader, si verificano nuove valanghe.

Riso. 17. Schema di formazione e sviluppo di un leader negativo per un periodo prolungato.

Le valanghe di elettroni si muovono attraverso il traferro (Fig. 17b) e si forma un nuovo streamer (Fig. 17c). Di norma, gli streamer si muovono lungo traiettorie casuali. Con questa formazione di una scarica di fulmine in lunghi traferri, anche con intensità di campo elettrico basse (da 1.000 a 2.000 V/cm), il leader copre rapidamente distanze significative.

Quando il leader raggiunge l'elettrodo opposto, la fase leader della scarica del fulmine termina e inizia la fase della scarica inversa (principale). In questo caso, un’onda elettromagnetica si propaga dalla superficie terrestre lungo il canale del leader, grazie al quale il potenziale del leader viene ridotto a zero. Pertanto, tra gli elettrodi si forma un canale superconduttore attraverso il quale passa la scarica del fulmine.

Fasi di sviluppo di una scarica di fulmine

Le condizioni per la comparsa dei fulmini si formano in quella parte della nube temporalesca dove l'accumulo di particelle cariche e l'intensità del campo elettrico hanno raggiunto valori soglia. A questo punto, si sviluppa la ionizzazione da impatto e si formano valanghe di elettroni, quindi, sotto l'influenza della ionizzazione foto e termica, compaiono streamer che si trasformano in leader.

a – visualizzazione; b – caratteristica attuale.

La lunghezza dei fulmini varia da centinaia di metri e può raggiungere diversi chilometri (la lunghezza media di una scarica di fulmine è di 5 km). Grazie al tipo di sviluppo leader, il fulmine è in grado di percorrere distanze significative in una frazione di secondo. L'occhio umano vede il fulmine come una linea continua composta da una o più strisce luminose di colore bianco, rosa chiaro o blu brillante. In effetti, la scarica di un fulmine è composta da diversi impulsi, inclusi due stadi: uno stadio di scarica principale e uno inverso.

Nella fig. La Figura 18 mostra una sequenza temporale di impulsi di fulmine, che mostra la scarica dello stadio principale del primo impulso che si sviluppa sotto forma di gradini. In media, la linea del palco è di cinquanta metri e il ritardo tra gli stadi adiacenti raggiunge i 30-90 μs. La velocità media di propagazione del leader è 105...106 m/s.

La forma graduale dello sviluppo del leader è spiegata dal fatto che ci vuole del tempo per formare uno streamer principale (una pausa tra i passaggi). Gli impulsi successivi si muovono lungo il canale ionizzato e hanno uno stadio leader chiaramente a forma di freccia. Dopo che il leader raggiunge il primo impulso della superficie terrestre, appare un canale ionizzato attraverso il quale si muove la carica. In questo momento inizia la seconda fase della scarica del fulmine (scarica inversa).

La scarica principale è visibile sotto forma di una linea continua e intensamente luminosa che perfora lo spazio tra le nubi temporalesche e il suolo (fulmine lineare). Dopo che la scarica principale raggiunge la nuvola, la luminosità del canale del plasma diminuisce. Questa fase è chiamata afterglow. In una scarica di fulmini si osservano fino a venti impulsi ripetuti e la durata della scarica stessa raggiunge 1 secondo o più.

In quattro casi su dieci si osservano scariche multiple di fulmini che provocano rumori impulsivi nelle reti energetiche. In media si osservano 3...4 impulsi. La natura degli impulsi ripetuti è associata al graduale afflusso delle cariche rimanenti nella nube temporalesca al canale del plasma.

Azione selettiva della scarica del fulmine

Quando il canale leader inizia appena a svilupparsi, l'intensità del campo elettrico nella sua parte principale è determinata dal volume della carica del leader e dall'accumulo di particelle volumetriche cariche situate sotto la nube temporalesca. La direzione prioritaria della scarica dipende dalle intensità massime del campo elettrico. Ad un'altitudine significativa, questa direzione è determinata solo dal canale guida (Fig. 19).

Quando il canale principale della scarica di un fulmine si sposta verso la superficie terrestre, il suo campo elettrico viene distorto dal campo terrestre e da massicci impianti energetici terrestri. I valori massimi di intensità e la direzione di propagazione del conduttore del fulmine sono determinati sia dalle proprie cariche che dalle cariche concentrate sul terreno, nonché sulle strutture artificiali (Fig. 20).

L'altezza H della testa del leader sopra la superficie terrestre, alla quale un'influenza significativa sul campo elettrico del leader si manifesta dai campi di cariche accumulate in quantità significative sul terreno e nelle strutture elettriche, in grado di cambiare la direzione del movimento del leader leader, è chiamata altezza di orientamento della scarica del fulmine.
Maggiore è il numero di cariche elettriche nel canale guida, maggiore è l'altezza alla quale può verificarsi un cambiamento nella traiettoria del fulmine.

La Figura 21 mostra il movimento della scarica principale dalla superficie terrestre alla nube temporalesca e la propagazione della scarica principale verso il suolo (superficie piana).

Quando la scarica del fulmine si sposta verso una struttura a terra alta (supporto della linea elettrica o torre) verso la scarica principale che si diffonde da una nube temporalesca alla superficie della terra, una controconduttore si sviluppa dal supporto a terra (Fig. 22.). In questo caso, lo scarico principale nasce nel punto di connessione tra i leader e si muove in entrambe le direzioni.

Riso. 22. Sviluppo dello stadio principale (in alto) e dello stadio di scarica principale (in basso) quando la scarica di un fulmine colpisce un supporto metallico

Il processo di formazione del fulmine mostra che la posizione specifica della scarica del fulmine è determinata nella fase principale. Se c'è una struttura di terra a molti piani direttamente sotto la nube temporalesca (ad esempio, una torre televisiva o un supporto di una linea elettrica), il leader emergente si sposterà verso terra lungo il percorso più breve, cioè verso il leader, che si estende verso l'alto dalla struttura del terreno.

Sulla base dell'esperienza pratica, possiamo concludere che molto spesso i fulmini colpiscono quelle strutture elettriche che dispongono di una messa a terra efficace e conducono bene l'elettricità. Alla stessa altezza, la scarica del fulmine colpisce l'oggetto che ha una migliore messa a terra e un'elevata conduttività elettrica. Con altezze diverse degli impianti elettrici e se anche il terreno adiacente ha una resistività diversa, il fulmine può colpire un oggetto più basso situato su un terreno con una migliore conduttività (Fig. 23).

Riso. 23. Suscettibilità selettiva alle scariche di fulmini: terreno con elevata conduttività elettrica (a); terreno con conduttività ridotta (b).

Questo fatto può essere spiegato dal fatto che durante lo sviluppo dello stadio leader, le correnti di conduzione fluiscono lungo un percorso con maggiore conduttività, pertanto in alcune aree si verifica una concentrazione di cariche legate al leader. Di conseguenza, aumenta l'influenza del campo elettrico delle cariche sulla superficie terrestre sul campo elettrico del leader emergente. Questo spiega la selettività dei fulmini. Di norma, sono più spesso interessate le aree del suolo e le strutture artificiali fuori terra con elevata conduttività. In pratica, è stato accertato che sulle linee elettriche ad alta tensione i fulmini non colpiscono più di un terzo dei supporti situati in luoghi rigorosamente delimitati.

La teoria del danno selettivo agli oggetti terrestri causato dalle scariche dei fulmini ha trovato conferma pratica nella disposizione della protezione contro i fulmini e nella messa a terra degli impianti elettrici delle sottostazioni elettriche. Le aree caratterizzate da una bassa conduttività avevano molte meno probabilità di essere colpite dai fulmini. Nella fig. La Figura 24 mostra il campo elettrico tra il suolo e una nube temporalesca prima della caduta di un fulmine.

Con un cambiamento graduale nell'intensità del campo elettrico di una nube temporalesca, la conduttività del suolo garantisce un equilibrio nel numero di cariche quando cambia il campo elettrico della nuvola. Durante la scarica di un fulmine, l'intensità del campo cambia così rapidamente che, a causa della bassa conduttività del terreno, non c'è tempo perché avvenga la ridistribuzione della carica. La concentrazione delle cariche nei singoli luoghi porta ad un aumento dell'intensità del campo elettrico tra i luoghi caratteristici e la nube temporalesca (Fig. 25), quindi la scarica del fulmine colpisce selettivamente questi luoghi.

Ciò conferma chiaramente la teoria della selettività dei fulmini, secondo la quale, in condizioni simili, i fulmini colpiscono sempre i luoghi in cui vi è una maggiore conduttività elettrica del suolo.

Principali parametri del fulmine

Per caratterizzare le correnti di fulmine, vengono utilizzati i seguenti parametri:

• Valore massimo dell'impulso della corrente di fulmine.
• Il grado di pendenza del fronte della corrente di fulmine.
• Durata del fronte dell'impulso corrente.
• Durata completa dell'impulso.

La durata di un impulso di corrente di fulmine è il tempo impiegato dalla scarica di ritorno per percorrere la distanza tra il suolo e una nube temporalesca (20...100 μs). La parte anteriore dell'impulso della corrente di fulmine è compresa tra 1,5 e 10 μs.

La durata media di un impulso della corrente di fulmine è di 50 μs. Questo valore è il valore standard dell'impulso della corrente di fulmine quando si verifica la rigidità dielettrica dei cavi schermati: devono resistere ai fulmini diretti e mantenere l'integrità dell'isolamento. Per testare la resistenza dell'isolamento quando esposto a impulsi di tensione di fulmine (i test sono regolati da GOST 1516.2-76), viene adottato un impulso di corrente di tensione di fulmine standard, mostrato in Fig. 26 (per comodità di calcolo il fronte reale è ridotto ad uno obliquo equivalente).

Sull'asse verticale della scansione della sovratensione impulsiva, ad un livello pari a 0,3 Umax e 0,9 Umax, sono contrassegnati i punti di controllo, collegati da una linea retta. L'intersezione di questa retta con l'asse del tempo e con la retta orizzontale tangente a Umax permette di determinare la durata dell'impulso Tf. Un impulso di fulmine standard ha un valore di 1,2/50: dove Tf=1,2 µs, Ti=50 µs (durata completa dell'impulso).

Un'altra caratteristica importante dell'impulso di un fulmine è la velocità con cui aumenta la tensione e la corrente sul fronte dell'impulso (pendenza del fronte, A*μs). La tabella 1 mostra i principali parametri delle scariche dei fulmini per terreni pianeggianti. In montagna si registra una diminuzione dell'ampiezza delle fluttuazioni della corrente da fulmine (quasi due volte) rispetto ai valori della pianura. Ciò è spiegato dal fatto che le montagne sono più vicine alle nuvole, quindi, nelle zone montuose, i fulmini si verificano con una densità molto inferiore di particelle cariche nelle nuvole temporalesche, il che porta ad una diminuzione dei valori di ampiezza delle correnti di fulmine.

Secondo la tabella, quando un fulmine colpisce i supporti delle linee elettriche ad alta tensione, vengono generate enormi correnti: più di 200 kA. Tuttavia, tali scariche di fulmini che causano correnti significative si osservano molto raramente: correnti superiori a 100 kA si verificano in non più del 2% dei casi del numero totale di scariche di fulmini e correnti superiori a 150 kA si verificano in meno dello 0,5% dei casi. La distribuzione di probabilità dei valori di ampiezza delle correnti di fulmine in base ai valori di ampiezza delle correnti è mostrata in Fig. 27. Circa il 40% di tutte le scariche di fulmini hanno correnti che non superano i 20 kA.

Riso. 28. Curve della distribuzione di probabilità (in %) della pendenza del fronte dell'impulso della corrente di fulmine. Curva 1 – per zone pianeggianti; curva 2 – per condizioni di montagna.

Il livello del rumore impulsivo e della sovratensione che si verificano negli impianti elettrici dipende dall'effettiva pendenza del fronte della corrente pulsata di una scarica di fulmine. Il grado di pendenza varia in un ampio intervallo e ha una debole correlazione con i valori di ampiezza delle correnti di fulmine. Nella fig. La figura 28 mostra un'immagine della distribuzione di probabilità del livello di pendenza dell'impulso della corrente di fulmine frontale in pianura (curva 1) e in montagna (curva 2).

Impatto delle correnti da fulmine

Durante il passaggio delle correnti di fulmine attraverso vari oggetti, questi ultimi sono soggetti a influenze meccaniche, elettromagnetiche e termiche.
Una significativa generazione di calore può distruggere conduttori metallici di piccola sezione (ad esempio, fusibili o cavi telegrafici). Per determinare il valore critico della corrente di fulmine Im (kA), al quale avviene la fusione o addirittura l'evaporazione del conduttore, viene utilizzata la seguente formula

k – coefficiente specifico in funzione del materiale del conduttore (rame 300...330, alluminio 200...230, acciaio 115...440).
Q – sezione del conduttore, mm2;
tm è la durata dell'impulso della corrente di fulmine, μs.

La sezione trasversale più piccola di un conduttore (parafulmine), che ne garantisce la sicurezza durante una scarica di fulmine in un impianto elettrico, è di 28 mm2. Ai valori di corrente massimi, un conduttore d'acciaio di sezione simile si riscalda fino a centinaia di gradi in pochi microsecondi, ma mantiene la sua integrità. Se esposte al canale dei fulmini, le parti metalliche possono fondersi fino a una profondità di 3-4 mm. Le rotture dei singoli fili nei cavi di protezione contro i fulmini sulle linee elettriche spesso si verificano a causa della bruciatura dovuta a una scarica di fulmine nei punti di contatto tra il canale antifulmine e il cavo.

Per questo motivo i parafulmini in acciaio hanno sezioni importanti: i cavi parafulmini devono avere una sezione di almeno 35 mm2, mentre i parafulmini devono avere una sezione di almeno 100 mm2. Quando un canale da fulmine urta materiali infiammabili e infiammabili (legno, paglia, combustibili e lubrificanti, combustibile gassoso, ecc.), possono verificarsi esplosioni e incendi. L'impatto meccanico della corrente del fulmine si manifesta nella distruzione di strutture in legno, mattoni e pietra prive di protezione contro i fulmini e di un'adeguata messa a terra.

Lo spaccamento dei pali delle linee elettriche in legno si spiega con il fatto che la corrente del fulmine, attraversando la struttura interna del legno, genera un'abbondante liberazione di vapore acqueo, il quale, con la sua pressione, rompe le fibre del legno. In caso di pioggia, la spaccatura del legno è inferiore rispetto a quando è asciutto. Poiché il legno bagnato è caratterizzato da una migliore conduttività, la corrente del fulmine passa principalmente lungo la superficie del legno, senza causare danni significativi alle strutture in legno.

Durante la scarica di un fulmine, pezzi di legno spessi fino a tre centimetri e larghi fino a cinque centimetri vengono spesso strappati dai supporti di legno e, in alcuni casi, il fulmine spacca a metà i montanti e le traverse dei supporti non dotati di messa a terra . In questo caso, gli elementi metallici degli isolanti (bulloni e ganci) volano fuori dalla loro posizione e cadono a terra. Un giorno, un fulmine fu così forte che un enorme pioppo alto circa 30 m si trasformò in un mucchio di piccole schegge.

Passando attraverso strette fessure e piccole aperture, le scariche dei fulmini producono una distruzione significativa. Ad esempio, le correnti di fulmine deformano facilmente gli scaricatori tubolari installati sulle linee elettriche. Anche i dielettrici classici (pietra e mattoni) sono soggetti agli effetti distruttivi di scariche potenti. Le forze di impatto elettrostatico esercitate dalle cariche rimanenti possono facilmente distruggere edifici in mattoni e pietra con pareti spesse.

Durante la fase della scarica principale del fulmine, vicino al punto del suo impatto, nei conduttori e nelle strutture metalliche degli impianti energetici si verificano interferenze impulsive e sovratensione che, passando attraverso la messa a terra di oggetti energetici, creano rumore impulsivo ad alta frequenza e un significativo caduta di tensione, che raggiunge 1.000 kV o più. I fulmini possono verificarsi non solo tra le nubi temporalesche e il suolo, ma anche tra le singole nuvole. Tali fulmini sono completamente sicuri per il personale e le apparecchiature delle centrali elettriche. Allo stesso tempo, le scariche dei fulmini che raggiungono il suolo rappresentano un grave pericolo per le persone e le apparecchiature tecniche.

Attività temporalesca nella Federazione Russa

In diverse parti del nostro Paese, l'intensità dell'attività temporalesca varia in modo significativo. Le regioni settentrionali sperimentano l'attività temporalesca più debole. Man mano che ci si sposta verso sud, si nota un aumento dell'attività temporalesca, che è caratterizzata dal numero di giorni all'anno in cui si sono verificati temporali. La durata media dei temporali per un giorno temporalesco sul territorio della Federazione Russa va da 1,5 a 2 ore. L'attività temporalesca per qualsiasi punto della Federazione Russa viene stabilita utilizzando speciali mappe meteorologiche dell'attività temporalesca, compilate sulla base dei dati provenienti da osservazioni a lungo termine delle stazioni meteorologiche (Fig. 29).

Fatti interessanti sui fulmini:

• Nelle aree in cui l'attività temporalesca è di 30 ore all'anno, in media si verifica 1 fulmine per chilometro quadrato di superficie terrestre ogni due anni.
• Ogni secondo, la superficie del nostro pianeta è colpita da oltre cento fulmini.

Temporale: che cos'è? Da dove vengono i fulmini che tagliano tutto il cielo e i minacciosi scoppi dei tuoni? Un temporale è un fenomeno naturale. I fulmini, detti fulmini, possono formarsi all'interno delle nuvole (cumulonembi), oppure tra le nuvole. Di solito sono accompagnati da un tuono. I fulmini sono associati a forti piogge, forti venti e spesso grandine.

Attività

Il temporale è una delle persone più pericolose: le persone colpite da un fulmine sopravvivono solo in casi isolati.

Ci sono circa 1.500 temporali che operano contemporaneamente sul pianeta. L'intensità delle scariche è stimata in un centinaio di fulmini al secondo.

La distribuzione dei temporali sulla Terra non è uniforme. Ad esempio, ce ne sono 10 volte di più sui continenti che sugli oceani. La maggior parte (78%) delle scariche dei fulmini si concentra nelle zone equatoriali e tropicali. I temporali si registrano particolarmente spesso in Africa centrale. Ma le regioni polari (Antartide, Artico) e i poli dei fulmini non sono praticamente visibili. L'intensità di un temporale risulta essere correlata al corpo celeste. Alle medie latitudini, il suo picco si verifica nelle ore pomeridiane (diurne), in estate. Ma il minimo è stato registrato prima dell’alba. Anche le caratteristiche geografiche sono importanti. I centri temporaleschi più potenti si trovano nella Cordillera e nell'Himalaya (regioni montuose). Anche il numero annuale di “giorni temporaleschi” varia in Russia. A Murmansk, ad esempio, ce ne sono solo quattro, ad Arcangelo - quindici, Kaliningrad - diciotto, San Pietroburgo - 16, Mosca - 24, Bryansk - 28, Voronezh - 26, Rostov - 31, Sochi - 50, Samara - 25, Kazan ed Ekaterinburg - 28, Ufa - 31, Novosibirsk - 20, Barnaul - 32, Chita - 27, Irkutsk e Yakutsk - 12, Blagoveshchensk - 28, Vladivostok - 13, Khabarovsk - 25, Yuzhno-Sakhalinsk - 7, Petropavlovsk- Kamchatskij - 1.

Sviluppo di un temporale

Come va? si forma solo a determinate condizioni. Devono esserci flussi di umidità verso l'alto e deve esserci una struttura in cui una frazione delle particelle è allo stato ghiacciato, l'altra allo stato liquido. In diversi casi si verificherà la convezione che porterà allo sviluppo di un temporale.

Riscaldamento non uniforme degli strati superficiali. Ad esempio, sull'acqua con una differenza di temperatura significativa. Nelle grandi città l’intensità dei temporali sarà leggermente più forte che nelle zone circostanti.

Quando l'aria fredda sostituisce l'aria calda. La convenzione frontale si sviluppa spesso contemporaneamente alle nubi di copertura e ai nimbostrati.

Quando l'aria sale nelle catene montuose. Anche le quote più basse possono portare ad un aumento delle formazioni nuvolose. Questa è convezione forzata.

Qualsiasi nube temporalesca, indipendentemente dal suo tipo, attraversa necessariamente tre fasi: cumulo, maturità e decadimento.

Classificazione

Per qualche tempo i temporali furono classificati solo nel luogo di osservazione. Erano divisi, ad esempio, in ortografici, locali e frontali. Ora i temporali vengono classificati in base alle caratteristiche a seconda degli ambienti meteorologici in cui si sviluppano. si formano a causa dell’instabilità atmosferica. Questa è la condizione principale per la creazione di nuvole temporalesche. Le caratteristiche di tali flussi sono molto importanti. A seconda della loro potenza e dimensione si formano rispettivamente diversi tipi di nubi temporalesche. Come sono divisi?

1. Cumulonembo unicellulare (locale o intramassa). Si verificano grandinate o temporali. Le dimensioni trasversali vanno da 5 a 20 km, le dimensioni verticali - da 8 a 12 km. Una tale nuvola "vive" fino a un'ora. Dopo un temporale il tempo rimane praticamente invariato.

2. Cluster multicellulare. Qui la scala è più impressionante: fino a 1000 km. Un ammasso multicellulare copre un gruppo di cellule temporalesche che si trovano in vari stadi di formazione e sviluppo e allo stesso tempo costituiscono un tutto. Come sono costruiti? Al centro si trovano le cellule temporalesche mature, al centro si trovano le cellule in disintegrazione, le cui dimensioni trasversali possono raggiungere i 40 km. I temporali multicellulari a grappolo producono raffiche di vento (burlasco, ma non forte), pioggia e grandine. L'esistenza di una cellula matura è limitata a mezz'ora, ma l'ammasso stesso può “vivere” per diverse ore.

3. Linee di burrasca. Anche questi sono temporali multicellulari. Sono anche detti lineari. Possono essere solidi o con spazi vuoti. Le raffiche di vento qui sono più lunghe (sul bordo d'attacco). Quando ci si avvicina, una linea multicellulare appare come un muro scuro di nuvole. Il numero di corsi d'acqua (sia a monte che a valle) qui è piuttosto elevato. Questo è il motivo per cui un tale complesso di temporali è classificato come multicellulare, sebbene la struttura del temporale sia diversa. Una linea di burrasca può produrre acquazzoni intensi e grandinate di grandi dimensioni, ma è più spesso “limitata” da forti correnti discendenti. Si verifica spesso prima di un fronte freddo. Nelle fotografie, tale sistema ha la forma di un arco curvo.

4. Temporali da supercella. Tali temporali sono rari. Sono particolarmente pericolosi per la proprietà e la vita umana. La nuvola di questo sistema è simile alla nuvola unicellulare, poiché entrambe differiscono per una zona di corrente ascensionale. Ma le loro dimensioni sono diverse. La nube della supercella è enorme, con un raggio di quasi 50 km e un'altezza fino a 15 km. I suoi confini potrebbero essere nella stratosfera. La forma ricorda un'unica incudine semicircolare. La velocità dei flussi ascendenti è molto più elevata (fino a 60 m/s). Una caratteristica caratteristica è la presenza di rotazione. È questo che crea fenomeni pericolosi ed estremi (grandine di grandi dimensioni (più di 5 cm), trombe d'aria distruttive). Il fattore principale per la formazione di una tale nuvola sono le condizioni circostanti. Parliamo di una convenzione molto forte con temperature da +27 e vento con direzione variabile. Tali condizioni si verificano durante il wind shear nella troposfera. Le precipitazioni formate nelle correnti ascensionali vengono trasferite nella zona delle correnti discendenti, che garantisce una lunga vita alla nuvola. Le precipitazioni sono distribuite in modo non uniforme. Gli acquazzoni si verificano vicino alla corrente ascensionale e la grandine si verifica più vicino a nord-est. La coda della tempesta potrebbe spostarsi. Quindi l'area più pericolosa sarà accanto alla corrente ascensionale principale.

Esiste anche il concetto di “temporale secco”. Questo fenomeno è piuttosto raro, caratteristico dei monsoni. Con un tale temporale non ci sono precipitazioni (semplicemente non raggiungono, evaporando a causa dell'esposizione alle alte temperature).

Velocità di movimento

Per un temporale isolato è di circa 20 km/h, a volte più veloce. Se sono attivi i fronti freddi, la velocità può raggiungere gli 80 km/h. In molti temporali, le vecchie celle temporalesche vengono sostituite da nuove. Ognuno di essi copre una distanza relativamente breve (circa due chilometri), ma in totale la distanza aumenta.

Meccanismo di elettrificazione

Da dove vengono i fulmini stessi? attorno alle nuvole e al loro interno in costante movimento. Questo processo è piuttosto complicato. Il modo più semplice per immaginare il lavoro delle cariche elettriche nelle nuvole mature. In essi domina la struttura dipolo positiva. Come è distribuito? La carica positiva è posizionata in alto, mentre la carica negativa si trova sotto, all'interno della nuvola. Secondo l'ipotesi principale (questo settore della scienza può essere considerato ancora poco esplorato), le particelle più pesanti e più grandi hanno una carica negativa, mentre quelle piccole e leggere hanno una carica positiva. I primi cadono più velocemente dei secondi. Ciò provoca la separazione spaziale delle cariche spaziali. Questo meccanismo è confermato da esperimenti di laboratorio. Le particelle di granelli di ghiaccio o di grandine possono avere un forte trasferimento di carica. La magnitudo e il segno dipenderanno dal contenuto di acqua della nuvola, dalla temperatura dell'aria (ambiente) e dalla velocità di collisione (fattori principali). Non si può escludere l’influenza di altri meccanismi. Le scariche si verificano tra il suolo e la nuvola (o l'atmosfera neutra o la ionosfera). È in questo momento che vediamo lampi attraversare il cielo. O un fulmine. Questo processo è accompagnato da forti rintocchi (tuoni).

Un temporale è un processo complesso. Potrebbero essere necessari molti decenni, e forse anche secoli, per studiarlo.

Filiale del MBOU "Istruzione generale secondaria Pervomaiskaya

scuola" nel villaggio di Novoarkhangelskoye

Scariche di fulmini

Fattori pericolosi

scariche di fulmini

Completato:

Studenti di 7a elementare

Pečeykin Maxim,

Bryksin Kirill

È raro che qualcuno non provi un sentimento di ansia, trepidazione prima di un temporale,

e soprattutto durante un forte temporale.

Tempesta - un pericoloso fenomeno atmosferico associato allo sviluppo di potenti cumulonembi, accompagnato da molteplici scariche elettriche tra le nuvole e la superficie terrestre, fenomeni sonori, forti precipitazioni, spesso accompagnate da grandine.

Il nome “temporale” è associato alla natura minacciosa di questo fenomeno naturale e al grande pericolo. Nei tempi antichi, le persone, non comprendendo la natura di un temporale, ma vedendo la morte di persone e gli incendi che si verificavano durante un temporale, associavano questo fenomeno all'ira degli dei, la punizione di Dio per i peccati.

Un temporale è un fenomeno naturale eccezionalmente bello che suscita ammirazione per la sua potenza e bellezza. Un temporale è caratterizzato da forti venti, spesso pioggia intensa (neve), a volte con grandine. Prima di un temporale (un'ora o due prima di un temporale), la pressione atmosferica diminuisce rapidamente finché il vento non aumenta improvvisamente, quindi inizia a salire. Di norma, dopo un temporale il tempo migliora, l'aria è limpida, fresca e pulita, satura di ioni formati durante i fulmini. Molti scrittori, poeti e artisti hanno espresso sentimenti di amore e ammirazione per il temporale nelle loro opere. Ricorda il meraviglioso poeta russo F.I. Tyutcheva:

Adoro il temporale di inizio maggio,

Quando la primavera, il primo tuono,

Come se si divertissero e giocassero,

Rimbombo nel cielo azzurro.

Temporali Ci sono: locale, frontale, notturno, in montagna.

I temporali locali (termici) sono i più comuni. Questi temporali si verificano solo nella stagione calda con elevata umidità atmosferica. Di norma si verificano in estate a mezzogiorno o al pomeriggio (12-16 ore). Il meccanismo per la formazione delle cariche elettriche nelle nuvole è il seguente. Il vapore acqueo nel flusso ascendente di aria calda in quota si condensa e viene rilasciato molto calore (è noto che se il processo di evaporazione richiede energia, il processo di condensazione è accompagnato dal rilascio di energia termica; ciò si spiega con la differenza nell'energia interna di una sostanza allo stato liquido e gassoso) e i flussi d'aria ascendenti vengono riscaldati. Rispetto all'aria circostante, l'aria che sale è più calda e si espande di volume fino a diventare una nube temporalesca. Nelle grandi nuvole temporalesche si librano costantemente cristalli di ghiaccio e gocce d'acqua che, sotto l'influenza di un flusso verso l'alto, si scontrano, si schiacciano o si fondono. Come risultato del loro attrito tra loro e con l'aria e lo schiacciamento, si formano cariche positive e negative. Sono separati e concentrati in diverse parti della nuvola. Di norma, nella parte superiore della nuvola si accumulano cariche positive e nella parte inferiore (più vicina al suolo) si accumulano cariche negative. Di conseguenza si verificano scariche di fulmini negative, mentre meno frequentemente può verificarsi il quadro opposto della formazione di fulmini positivi. Sotto l'influenza delle cariche si crea un forte campo elettrostatico (l'intensità del campo elettrostatico può raggiungere 100.000 V/m) e la differenza di potenziale tra le singole parti della nuvola, delle nuvole o della nuvola e del suolo raggiunge valori enormi. La tensione tra nuvola e terra può raggiungere 80×106 - 100×106V.

Quando viene raggiunta l'intensità critica dell'aria elettrica, si verifica una ionizzazione dell'aria simile a una valanga: una scarica di scintille fulminea.

Un temporale frontale si verifica quando una massa di aria fredda si sposta in una zona dove prevale il clima caldo. L'aria fredda sposta l'aria calda, quest'ultima sale in quota 5--7 km. Strati d'aria caldi invadono vortici di varie direzioni, si forma una raffica, un forte attrito tra strati d'aria, che contribuisce all'accumulo di cariche elettriche. La lunghezza di un temporale frontale può raggiungere i 100 km. A differenza dei temporali locali, in genere fa più freddo dopo i temporali frontali. I temporali frontali si verificano più spesso in estate, ma a differenza dei temporali locali, che si verificano solo nelle calde giornate estive, possono verificarsi negli altri periodi dell'anno, anche in inverno.

I temporali notturni sono associati al raffreddamento del terreno durante la notte e alla formazione di correnti vorticose di aria ascendente.

I temporali in montagna si spiegano con la differenza nella quantità di radiazione solare a cui sono esposti i versanti meridionale e settentrionale delle montagne. I temporali notturni e montani sono di breve durata. Sulla Terra si verificano 16 milioni di temporali all'anno.

L'attività dei temporali varia in diverse aree del nostro pianeta.Centri temporali mondiali :

l'isola di Giava - 220, l'Africa equatoriale - 150, il Messico meridionale - 142, Panama - 132, il Brasile centrale - 106 giorni di temporale all'anno.

Attività temporalesca in Russia:

Murmansk - 5, Arkhangelsk - 10 San Pietroburgo - 15, Mosca - 20 giorni di temporale all'anno. Di norma, più si va a sud (PER l'emisfero settentrionale della Terra) e più a nord (PER l'emisfero meridionale della Terra), maggiore è l'attività dei temporali. I temporali sono molto rari nell'Artico e nell'Antartico.

Tipi di fulmini E ragioni del loro verificarsi

Combinazione fulmini e tuoni chiamato temporale

Ogni persona dovrebbe conoscere la natura dei fulmini, i suoi pericoli e i metodi di protezione.

Fulmine- Questo scarica di scintilla di elettricità statica accumulata nelle nubi temporalesche. A differenza delle cariche generate sul lavoro e nella vita quotidiana, le cariche elettriche accumulate nelle nuvole sono sproporzionatamente maggiori. Pertanto l'energia di una scarica a scintilla (fulmine) e le correnti che ne derivano sono molto elevate e rappresentano un grave pericolo per l'uomo, gli animali e gli edifici. Il fulmine è accompagnato da un impulso sonoro: il tuono.

Per ogni chilometro quadrato di superficie terrestre si verificano 2-3 fulmini all'anno. Il suolo è spesso colpito da fulmini provenienti da nuvole cariche negativamente.

Per tipo, il fulmine è diviso in lineare, perla e palla. I fulmini di perle e di sfere sono eventi piuttosto rari.

Il comune fulmine lineare, che ogni persona incontra molte volte, ha l'aspetto di una linea sinuosa e ramificata. Veli-

L'intensità di corrente nel canale lineare dei fulmini è in media di 60-170x 103 A; sono stati registrati fulmini con una corrente di 290x 103 A. Il fulmine medio trasporta un'energia di 250 kW/h (900 MJ), ci sono dati sulla potenza di 2800 kW/h (10000 MJ). L'energia dei fulmini si realizza principalmente sotto forma di energia luminosa, termica e sonora.

La scarica si sviluppa in pochi millesimi di secondo; a correnti così elevate l'aria nella zona del canale del fulmine si riscalda quasi istantaneamente alla temperatura 33.000 o.s. Di conseguenza, la pressione aumenta bruscamente, l'aria si espande e appare un'onda d'urto, accompagnata da un impulso sonoro: un tuono. Poiché il percorso del fulmine è molto tortuoso, le onde sonore sorgono in punti diversi e percorrono distanze diverse, compaiono suoni di diversa intensità e altezza: i tuoni. Le onde sonore subiscono ripetute riflessioni dalle nuvole e dal suolo, che provocano un rimbombo prolungato. Il tuono non è pericoloso per gli esseri umani e ha su di loro solo un effetto psicologico.

Prima e durante un temporale, occasionalmente al buio, sulla cima di oggetti alti e appuntiti (cime di alberi, alberi di navi, sommità di rocce appuntite in montagna, croci di chiese, parafulmini, talvolta in montagna sulle persone e teste di animali, mani alzate), si può osservare un bagliore, chiamato"Fuoco di Sant'Elmo" Questo nome è datonell'antichità dai marinai che osservavano il bagliore in cima agli alberi dei velieri. Incandescenza"Le luci di Elmo" si verifica a causa del fatto che su oggetti alti e appuntiti l'intensità del campo elettrico creato dalla carica elettrica statica della nuvola è particolarmente elevata. Di conseguenza, inizia la ionizzazione dell'aria, si verifica una scarica luminescente e compaiono lingue di bagliore rossastre, che a volte si accorciano e si allungano di nuovo. Non dovresti tentare di estinguere questi incendi poiché non c'è combustione. Ad un'elevata intensità del campo elettrico, può apparire un fascio di fili luminosi. - scarica corona, talvolta accompagnata da sibili."Le luci di Elmo" “può apparire senza la presenza di nuvole temporalesche - più spesso in montagna durante tempeste di neve e tempeste di polvere. Gli alpinisti si incontrano abbastanza spesso"Le luci di Elmo"

Occasionalmente si verificano fulmini lineari anche in assenza di nubi temporalesche. Non è un caso che sia nato il detto:

"Un fulmine a ciel sereno".

Fulmine di Perla - un fenomeno molto raro e bello. Appare immediatamente dopo il fulmine lineare e scompare gradualmente. Per lo più, la scarica dei fulmini perlati segue un percorso lineare. I fulmini sembrano sfere luminose situate a distanza 7-12 m l'uno dall'altro, che ricordano le perle infilate su un filo. Pearl Lightning può essere accompagnato da effetti sonori significativi.

Anche i fulmini globulari sono piuttosto rari. Per ogni mille fulmini lineari ordinari ce ne sono 2-3 palla I fulmini globulari, di regola, compaiono durante un temporale, più spesso verso la fine, meno spesso dopo un temporale. Si verifica anche, ma molto raramente, in completa assenza di fenomeni temporaleschi. Può avere la forma di una palla, di un ellissoide, di una pera, di un disco o anche di una catena di palline collegate. Il colore del fulmine è rosso, giallo, rosso-arancio, circondato da un velo luminoso. A volte i fulmini sono di un bianco abbagliante con contorni molto netti. Il colore è determinato dal contenuto di varie sostanze nell'aria. La forma e il colore del fulmine possono cambiare durante una scarica. La natura del fulmine globulare e le ragioni del suo verificarsi non sono chiare. Esistono varie ipotesi sulla natura dei fulmini globulari. Ad esempio, l'accademico Ya.I. Frenkel ha creato una teoria secondo la quale il fulmine globulare è una palla di gas caldo, risultante da un normale fulmine lineare e costituita da gas chimicamente attivi, principalmente ossido di azoto e azoto monoatomico. L'accademico P.I. Kapitsa ritiene che il fulmine globulare sia un coagulo di plasma in uno stato relativamente stabile. Esistono altre ipotesi, ma nessuna di esse può spiegare tutti gli effetti associati Con fulmine globulare. Non è stato possibile misurare i parametri dei fulmini globulari e simularli in condizioni di laboratorio. Apparentemente, molti oggetti volanti non identificati (UFO) osservati sono simili o di natura simile ai fulmini globulari.

Il fulmine è una gigantesca scarica elettrica nell'atmosfera. I fulmini si verificano a causa dell'accumulo di cariche elettriche in una nube temporalesca. È accompagnato dal bagliore luminoso di un canale bizzarramente curvo, un'onda d'urto che si propaga nell'aria circostante, trasformandosi a una certa distanza in un'onda sonora. La manifestazione acustica del fulmine si chiama tuono.

I fulmini sono un formidabile fenomeno naturale che provoca danni alle persone e alle loro cose. Questo danno è associato a danni diretti a persone e animali, incendi in locali residenziali e industriali, esplosioni di oggetti pericolosi, incendi boschivi, generazione di un potente impulso elettromagnetico, ecc. L'impulso elettromagnetico del fulmine crea problemi di compatibilità elettromagnetica.

Sulla Terra si verificano circa 2000-3000 centri temporaleschi contemporaneamente e ogni secondo la sua superficie viene colpita da 100-200 temporali.

I temporali sono distribuiti in modo non uniforme sulla superficie del globo. La frequenza della loro formazione dipende dal periodo dell'anno, dall'ora del giorno e dal terreno. Ci sono circa 10 volte più temporali sulla terra che sugli oceani. Ci sono più temporali di sera e di notte che di giorno. Alle medie latitudini dell'emisfero settentrionale i temporali si verificano principalmente da maggio a settembre. Questo periodo è chiamato la stagione dei temporali. In inverno i temporali si verificano relativamente raramente.

Alle medie latitudini la terra viene colpita dal 30-40% del numero totale di fulmini, il restante 60-70% sono scariche tra nuvole o tra parti di nuvole caricate diversamente.Alle latitudini equatoriali l'isoterma 0 C si trova più in alto di alle medie latitudini. Di conseguenza, le aree di concentrazione delle cariche nelle nuvole sono più elevate, quindi le scariche nel terreno costituiscono una parte ancora più piccola.

L'intensità dell'attività temporalesca in qualsiasi area è caratterizzata dal numero medio di ore di temporale all'anno. Il numero di ore di temporale è minimo alle alte latitudini e aumenta gradualmente verso l'equatore, dove quasi durante tutto l'anno si osservano aumento dell'umidità dell'aria e temperature elevate, che contribuiscono alla formazione di nubi temporalesche.

In alcune zone (Armenia, Krasnodar, Donbass, Carpazi) il numero annuo di ore di temporale raggiunge 100 o più,

In alcuni paesi viene utilizzata un'altra caratteristica meno conveniente dell'attività temporalesca: il numero annuale di giorni di temporale (anziché di ore). Secondo l'Organizzazione meteorologica mondiale, in Africa centrale si osservano fino a 180 giorni di temporale all'anno. Malesia, Perù, Madagascar - fino a 140 giorni, in Brasile, America Centrale - 100-120 giorni.

Per i problemi pratici di protezione contro i fulmini delle strutture a terra, è importante la densità specifica dei fulmini nel terreno, ad es. numero annuo di impatti per 1 km 2 di superficie terrestre. Entro la durata annuale dei temporali fino a h la densità specifica dei fulmini al suolo è quasi direttamente proporzionale Ciò ha permesso in Russia di accettare, insieme alla densità specifica dei fulmini, un'altra caratteristica dell'attività temporalesca: il numero medio di fulmini per 1 km 2 di superficie terrestre ogni 100 ore di temporale.

Riso. 9.1. Dipendenza dal numero specifico di fulmini per 1 km 2 area della Terra sul numero di giorni di temporale all'anno (le linee tratteggiate indicano l'area di dispersione secondo i dati osservativi)

Se l'intensità dell'attività temporalesca è espressa dal numero annuale di giorni temporaleschi, allora la densità specifica delle scariche per 1 km 2 di superficie per numero Le ore di temporale all’anno possono essere stimate dalla Fig. 9.1. Va tuttavia tenuto presente che, a parità di valore, la densità specifica dei fulmini al suolo è soggetta a variazioni significative a causa dell'influenza del terreno e delle condizioni climatiche.

Per il territorio del nostro Paese . Maggiore è il numero dei giorni temporaleschi in un anno, più lunghi saranno i temporali. Ne consegue che la relazione non è lineare e quindi l'attività temporalesca non può essere caratterizzata semplicemente dal numero di fulmini per 1 km 2 di superficie terrestre per 100 ore di temporale.

Gli oggetti che si innalzano sopra la superficie della terra, a causa dello sviluppo di contro-leader da essi, raccolgono fulmini da un'area più grande del territorio occupato. Tuttavia, prendendo , possiamo stimare il numero di fulmini per 100 ore di temporale in una struttura di lunghezza UN, larghezza IN e altezza N(dimensioni in metri) secondo la formula