Еще при жизни Марии Кюри в начале прошлого века в ее лаборатории к высоковольтному электроду прикрепили достаточно мощный по тому времени источник радиоактивного излучения (соль радия), пытаясь предварительной ионизацией снизить электрическую прочность промежутка метровой длины. Эксперимент оказался неудачным. Однако это не помешало французским предпринимателям через десятки лет наладить массовое производство радиоактивных молниеотводов.

Ни лабораторные испытания, ни проверка в реальных условиях эксплуатации не выявили никаких преимуществ молниеприемников нового типа по сравнению с классическими. Причина неудачи объяснялась слабым источником излучения.

По условиям радиационной безопасности было недопустимо использовать более мощные излучатели, способные повысить интенсивность ионизации по сравнению с той, что наблюдается у вершины стандартного молниеотвода под действием электрического поля грозового облака. Нет ничего удивительного в том, что от радиоактивных молниеотводов в скором времени отказались, а в большинстве европейских стран их вовсе запретили для использования.

Идея управления молнией без применения дополнительных источников высокого напряжения не потеряла своей привлекательности. Характерным примером служит промышленное производство CTS-молниеотводов. Название системы CTS (от английского Charge transfer System) может быть переведено как Система передачи заряда.

На (Рис. 1) фото изящного корабля, заимствованное из рекламного проспекта в Интернете. На мачте CTS-молниеотвод. По заявлению рекламодателей он со 100%-ной вероятностью защищает объект от прямых ударов молнии и даже обеспечивает ограничение электромагнитных наводок на 60 – 90%.

Даже в случае превышения над защищаемой поверхностью на 5 м радиус защиты якобы равен 44 м, а при высоте свыше 27 м он достигает 100 м. Если верить написанному, преимущество перед традиционным молниеотводом более чем очевидное!

Внешне устройство напоминает летающую тарелку в миниатюре (Рис. 2). Оно явно не ориентировано на интенсивную ионизацию воздуха у своей внешней поверхности. Внутренний источник высокого напряжения не предусмотрен, а при радиусе вершины около 12 см и высоте установки в 5 м достичь порога ионизации можно только при напряженности электрического поля атмосферы у поверхности земли не ниже 70 кВ/м. Такое не по силам даже мощному грозовому облаку.

Рис 1. Рекламная фотография использования CTS-молниеотводов

Рис 2. Молниеотвод PDCE фирмы TECNO-FERRAN, S.L. (кликабельно).

В рекламных проспектах утверждается, что внутреннее устройство представляет собой конденсатор, ток и заряд которого обеспечивают ослабление электрического поля в пределах зоны защиты в столь сильной степени, что ни от самого молниеотвода, ни от защищаемого им сооружения не могут возникнуть ионизационные процессы, притягивающие к себе канал молнии. Установка управляющей головки делает их как бы невидимыми для нисходящих молниевых каналов.

Можно лишь догадываться об исходных соображениях, положенных в основу изобретения. Вероятнее всего, механизм управляющего воздействия связывается с током смещения через внутренний конденсатор устройства, благодаря которому ликвидируется значительная часть заряда на поверхности земли. Косвенным основанием для этого предположения являются уверения рекламодателей о поставке заряда на поверхность земли каплями дождя. Более несуразное предположение трудно представить.

Если даже допустить, что дождь полностью разряжает грозовую ячейку и переносит весь ее заряд на землю, то согласно элементарной оценке для радиуса Земли м изменение электрического поля на ее поверхности от доставленного дождем заряда

составит лишь 0,01 В/м даже для мощной грозовой ячейки с зарядом = 50 Кл. По тем же соображениям заряд на поверхности земли не может быть заметно изменен током, который втекает в землю через заземляющее устройство молниеотвода. Рассчитывать можно только на экранирующий эффект заряда, наведенного грозовым электрическим полем на поверхности управляющей головки CTS-молниеотвода. Все другие причины исключены полностью.

Элементарная количественная оценка не оставляет никаких надежд для оптимизма. Представив головку молниеотвода с некоторым запасом в виде сферы радиусом , легко получить, что при высоте крепления наведенный поверхностный заряд будет равен

где – неискаженное электрическое поле атмосферы. Под действием этого заряда (с учетом зеркального отражения) электрическое поле у поверхности земли на расстоянии r от молниеотвода уменьшится на величину

,

При высоте установки = 5 м расчет по полученному выражению показывает, что внешнее электрическое поле окажется ослабленным на 3,5% на расстоянии 5 м от молниеотвода и всего лишь на 0,014% на границе гарантированной в рекламе зоны защиты (r = 44 м). Столь ничтожное воздействие вряд ли можно считать практически значимым. Остается отметить, что включение конденсатора в цепь тока дополнительно ослабит эффект из-за потери напряжения на самом конденсаторе.

К разобранным выше несуразностям хочется добавить еще одну мелкую, но характерную деталь. Реклама CTS-молниеотводов упоминает об их исследовании группой российских специалистов. Как один из участников этой неформальной научной команды, занимающейся в течение ряда лет изучением газоразрядных процессов в электрическом поле грозового облака, ответственно заявляю, что CST-молниеотводы никогда не упоминались ни в одной из наших достаточно многочисленных публикаций.

Система раннего стримерного инициирования – так можно перевести на русский язык английскую аббревиатуру ESE. Сегодня это наиболее рекламируемая продукция на рынке активных молниеотводов. Насадки самой разнообразной конструкции (Рис. 3) обещают активное воздействие на встречный разряд с целью резкого (в 5 – 6 раз) увеличения радиуса защиты молниеотвода. Во всех известных образцах для управления встречным

Рис.3 Образцы ESE-молниеотводов

разрядом используется подача высокого напряжения на управляющую головку молниеотвода относительно его заземленной стойки. Управляющее напряжение формируется за счет энергии электрического поля атмосферы. Для этой цели возбуждается коронный разряд, ток которого заряжает накопительные конденсаторы до 10 – 15 кВ. Все они размещены внутри управляющей головки объемом в несколько литров. Там же размещаются коммутаторы, которые переключают заряженные конденсаторы последовательно, реализуя классическую схему Маркса для формирования импульсного напряжения. Сформированный импульс удваивает свою амплитуду в колебательном контуре. Для его формирования во внутреннем объеме головки предусматривается катушка индуктивности. По заявлениям в рекламных проспектах амплитуда управляющего импульса может достигать 200 кВ.

Сам факт использования высокого напряжения для притяжения молнии не вызывает сомнений. Вопрос в том, для воздействия на какой газоразрядный процесс оно предназначается. Ответ на него предопределяет амплитуду эффективного управляющего импульса и его временные параметры. Именно это обстоятельство является определяющим для оценки работоспособности ESE-молниеотводов.

Аббревиатура ESE четко определяет объект управляющего воздействия. Им является начальная стримерная вспышка, что стартует от вершины молниеотвода. Предполагается, что именно многометровый канал стримера притягивает к себе нисходящую молнию. Для оценки эффективности активного молниеотвода предусматриваются лабораторные испытания, в которых измеряется время опережения старта стримера от управляющей головки по сравнению с обычным молниеотводом той же высоты. Измеренная величина служит основным параметром для оценки зоны защиты ESE-молниеотвода.

Изобретателей подвел недостаток у них сведений о физике длинной искры. При оценке последствий управляющего воздействия необоснованно отождествляются два принципиально различных газоразрядных процесса – стримерный и лидерный. Оба они распространяются по разрядному промежутку за счет локального перемещения области сильного электрического поля на головках своих каналов. Однако, состояние плазмы в сформированных каналах у них совершенно различное. Газ в канале стримера холодный. Его температура отличается от окружающей разве что на . В таких условиях время жизни родившихся электронов близко к 0,1 мкс. За 1 мкс проводимость стримерной плазмы снижается в тысячи раз (Рис. 4). Это значит, что при характерной скорости стримера в см/с даже на расстоянии 10 см за головкой правильнее говорить уже не о проводящем канале, а только об его следе, который совершенно безразличен и неразличим для молнии.

Рис.4 Компьютерный расчет динамики изменения плотности электронов в канале стримера

В отличие от стримера канал встречного лидера горячий. Температура газа в нем поддерживается на уровне 5000 – 6000 К. Этого достаточно для термической ионизации, за счет которой неограниченно долго поддерживается высокая проводимость созданной плазмы. Характеристики канала хорошо развитого лидера похожи на дуговые в сварочном аппарате. Продольное электрическое поле в канале по порядку величины лежит в пределах 10 кВ/м, почти на 2 порядка меньше, чем в стримере. Вот такой хорошо проводящий канал действительно в состоянии притянуть к себе формирующуюся нисходящую молнию.

Для разогрева канала нужна энергия. Ее обеспечивают стримеры, непрерывно стартующие из головки канала лидера с частотой порядка . Каждый стример проводит ток лишь малые доли микросекунды, но очень высокая частота их рождения обеспечивает в совокупности поставку требуемой энергии.

Лидер рождается в стебле стримерной вспышки. Так называется общий ”ствол” многочисленных стримерных ветвей. Через стебель проходит суммарный ток стримеров, обеспечивая очень заметный нагрев газа в его центре. Эксперименты и теоретические оценки показали, что необходимый энерговклад в стебель обеспечивается при длине стримерной вспышки не меньше 90 – 100 см, для чего напряжение на ней должно быть не меньше 400 кВ. Как видим, нужное управляющее воздействие оказывается достаточно высоковольтным. Не менее значимо и время такого воздействия. Чтобы сохранить свою жизнеспособность, родившийся лидер должен выйти за пределы приэлектродной области с электрическим полем, ослабленным объемным зарядом короны, что формировалась в грозовом поле атмосферы. Для этого длина лидерного канала должна быть не меньше 1 м. При скорости роста в 1 см/мкс формирование такого канала займет примерно 100 мкс.

Время управляющего воздействия определено. Вместе с ним фактически определена требуемая энергоемкость внутреннего источника высокого напряжения ESE-молниеотвода. Ток лидера в начальной фазе своего развития близок к 1 А. При управляющем напряжении в 400 кВ в канал лидера должна быть введена энергия порядка . Чтобы в процессе управления управляющее напряжение не упало за счет потери заряда внутренними накопительными емкостями, энергоемкость управляюшего генератора должна быть хотя бы порядка 100 Дж. Это значит, что емкость в ударе импульсного генератора, удовлетворяя известному соотношению по порядку величины должна быть близка к 1000 пкФ.

Если ориентироваться на напряжение ступени генератора Маркса в 10 кВ, то каждый его накопительный конденсатор должен обладать емкостью 0,04 мкФ. Разместить 40 конденсаторов с такими параметрами во внутреннем объеме в несколько литров вместе с коммутаторами, разделительными резисторами и катушкой индуктивности – абсолютно невыполнимая затея! Приходится признать, что внутренний источник управляющего напряжения любого современного ESE-молниеотворда обладает несопоставимо меньшей энергоемкостью. Импульс напряжения на его выходе должен иметь длительность в несколько микросекунд, возможно, еще меньще. Скорее всего, именно по этой причине осциллограмм управляющего импульса нет в руководствах по активным молниеотводам. Тем не менее, даже при столь кратковременном воздействии управляющий импульс в состоянии возбудить стримерную вспышку. Оптические регистрации, выполненные в ЭНИН, позволяют проследить за характером и последствиями ее формирования.

Импульс напряжения с длительностью фронта 250 мкс воспроизводил в эксперименте грозовое электрическое поле атмосферы, нарастающее вследствие развития нисходящей молнии. На него накладывался управляющий импульс 0,3/2 мкс амлитудой около 230 кВ. Как можно видеть по непрерывной развертке изображения, под действием управляющего импульса формировалась мощная стримерная вспышка, внедряющая в промежуток объемный заряд свыше 10 мкКл.

Рис.5 Лабораторный эксперимент по оценке воздействия кратковременного управляющего импульса напряжения

Ослабление электрического поля этим зарядом полностью подавляло все ионизационные процессы в приэлектродной области на время около 70 мкс, в течение которых поле восстанавливалось за счет дальнейшего роста напряжения, а также в результате дрейфа положительных ионов в глубину промежутка. Итогом явилась задержка развития лидера и изменение пробивного напряжения. Под действием управляющего импульса оно не только не уменьшалось, но напротив выросло в пределах 20 – 25%.

Проведенный эксперимент объясняет результаты полевых сравнительных испытаний ESE-молниеотводов в США и модельных испытаний в России. И в том, и в другом случае канал разряда с достаточно высокой вероятностью игнорировал их, предпочитая молниеотводы обычного исполнения, где не было упрочняющего воздействия мощной стримернрой вспышки.

В соответствии с полученными результатами есть все основания считать, что кратковременное управляющее воздействие высокого напряжения в ESE-молниеотводах, инициируя мощную стримерную вспышку, задерживает старт и развитие встречного лидера, тем самым снижая, а никак не повышая вероятность ориентировки молнии в направлении ESE-молниеотвода.

Пониженную эффективность ESE-молниеотводов по сравнению с традиционными той же высоты следует считать достаточным основанием для запрета их применения в отечественной практике молниезащиты.

Несмотря на однозначную негативную оценку, ESE-молниеотводы продолжают привлекать к себе специалистов по молниезащите. Весомых причин две. Во-первых, управляющее воздействие в этих молниеотводах действительно оказывает влияние на канал нисходящей молнии, но к сожалению, отрицательное, снижающее эффективность защитного действия молниеотвода. Во-вторых, ESE-молниеотводы оказались достаточно раскрученной продукцией и предприниматели не собираются отказываться от их продаж. Более того, кроме недостоверной рекламы в бой бросаются более действенные средства.

Так Белорусским государственным институтом стандартизации и сертификации (БелГИСС) совместно с российской фирмой ”Электра” был предложен проект Межгосударственного стандарта, цель которого – узаконить практическое применение ESE-молниеотводов. Обе организации, по-видимому, не располагали собственными специалистами по атмосферному электричеству нужной квалификации и потому основу подготовленного ими нормативного документа составили извлечения из ранее опубликованных французских методических указаний по применению ESE- молниеотводов. Неудивительно, что там в полной мере проявились разобранные выше принципиальные физические несуразности. Не избежали в проекте и традиционной стримерно-лидерной путаницы, которая стала причиной обратного эффекта ESE-молниеотводов.

Чтобы продемонстрировоать читателям уровень подготовленного проекта нормативного документа, на (Рис. 6) приведена заимствованная из него схема замещения внутреннего источника напряжения ESE-молниеотвода, где – емкость связи управляющей головки молниеотвода с грозовой ячейкой, а – внутреняя накопительная емкость.

Рис.6 Схема замещения формирующего генератора ESE молниеотвода

По мнению специалистов БелГИСС и фирмы ”Электра” схема поясняет формирование высоковольного управляющего импульса, в т.ч. и удвоение его амплитуды. На деле же в ней не может быть никаких переходных процессов, кроме мгновенного разряда накопительной емкости через обозначенный на схеме коммутатор.