При ударах молнии выделяется колоссальное количество энергии. Для защиты различных объектов от такого разрушительного природного явления применяют громоотвод. Это устройство было изобретено давно и представляет собой длинный металлический стержень, один конец которого подключён к заземляющему устройству, а другой конец просто направлен в небо.
Чем выше длина такого стержня, тем выше эффективность работы громоотвода. Казалось бы, конструкция очень простая и улучшать тут нечего. Оказалось, что есть и другой путь.
Классический громоотвод
Для начала вспомним, как работает классический громоотвод. Здесь нужно отметить, что свидетельства о применении таких устройств встречаются в различных исторических источниках.
В частности, имеются упоминания об использовании мачт, покрытых медью на храме царя Соломона или на храмах Древнего Египта. Громоотвод также был установлен на Невьянской башне или наклонной башне Демидовых, построенной в период с 1721 по 1725 годы, в городе Невьянске Свердловской области.
Между прочим, этот громоотвод был установлен на четверть века раньше, до официальной даты изобретения этого устройства в 1752 году американским учёным и политиком Б. Франклиным.
Устройство имело простую конструкцию, которая и в наше время принципиально не изменилась: металлический стержень был закреплён на крыше здания и соединялся при помощи проводника с заземляющим устройством. Для большей эффективности применялось несколько заземлённых стержней, между которыми была натянута проволока.
Принцип работы устройства основан на эффекте «коронного разряда», возникающего на верхнем конце громоотвода. Из-за этого около громоотвода образуется область сильно ионизированного воздуха, что приводит к уменьшению напряжённости электрического поля.
Можно сравнить тучи и землю с обкладками конденсатора. При возникновении значительной разницы потенциалов может произойти пробой воздушного промежутка, собственно, это и есть удар молнии. Громоотвод разряжает этот конденсатор, замыкая обкладки.
Тем самым не происходит накопления заряда, достаточного для удара молнии. Однако, если молния всё же возникает, она ударяет в громоотвод и не причиняет вреда защищаемым зданиям.
Как улучшить защиту?
Для приближённого вычисления радиуса, на котором громоотвод сможет защитить от молнии, можно воспользоваться формулой:
R=1,732*h
Где h — расстояние от земли до наиболее высокой точки громоотвода.
Кстати, при проектировании различных зданий и сооружений, необходимо следовать указаниям СО 153-34.21.122-2003.
Здесь всё описано более подробно.
Разумеется, что даже применяя различные материалы, для устройств молниезащиты, и разные типы конструкций, можно достигнуть предела, который не будет позволять увеличивать эффективность защиты. Для того чтобы преодолеть этот барьер, нужно применить устройства, работающие на других физических принципах.
Одним из вариантов является размещение на вершине молниеприёмника источника гамма-излучения. Он будет ионизировать окружающий воздух. С увеличением мощности такого источника будет расти и радиус защиты. Однако, такой вариант крайне опасен.
Другой вариант предусматривает использование лазера. При направлении в атмосферу лазерного луча, последний, может ионизировать воздух. Таким образом, создаётся путь для молнии, что позволяет направлять её в нужное место.
Теоретическое обоснование такого метода защиты от ударов молнии было разработано довольно давно. Проводились и лабораторные эксперименты. Однако, воплотить теорию на практике удалось в 2021 году.
Лазерная установка, мощностью 1 кВт, была размещена на вершине самой высокой горы в Швейцарских Альпах — на Сантисе. В течение лета 2021 года, а если точнее, то в период с июня по сентябрь, когда наиболее высока грозовая активность, были проведены тесты сотрудниками Лаборатории прикладной оптики Национальной высшей школы передовых технологий.
В качестве объекта защиты была выбрана телекоммуникационная вышка, в которую периодически ударяет молния. За год, количество таких ударов составляет примерно от 100 до 400 раз. При этом удалённость вышки от мест проживания и коридоров движения воздушных судов позволило обеспечить безопасность эксперимента.
Во время прохождения грозового фронта, которое продолжалось в течение 6 часов, удалось изменить траекторию 4 разрядов. Это удалось благодаря использованию мощного лазера, производящего 1000 импульсов секунду.
Исследователи утверждают, что им удалось достигнуть радиуса защиты, составляющего 180 метров. В перспективе учёные планируют увеличить этот показатель до 500 метров.
Следует отметить, что полный вес установки составил 29 тонн. Значительную долю занял вес бетонных блоков. Он составил 18 тонн и учёным пришлось решить различные проблемы с доставкой установки на вершину горы.
Такая масса потребовалась для того, чтобы защитить всю установку от порывов ураганного ветра, которые достигали 200 км/час. На сборку всей установки потребовалось 2 недели.
Заключение
Безусловно, что атмосферные разряды могут оказать сильное влияние на различные процессы на поверхности Земли. К примеру, лесные пожары в США и Австралии, произошедшие в 2019—2020 годах, возникли от ударов молний.
Учёные постоянно ищут новые способы защиты от молний, и стараются улучшить способы, которые уже применяются. Применение лазеров является одним из наиболее перспективных направлений и, вероятно, что в обозримом будущем учёным удастся создать устройство для управления этим грозным природным явлением.
