ГРОМООТВОД, приспособление для защиты зданий или каких-либо приспособлений и аппаратов от действия атмосферного электричества и в особенности от последствий непосредственного удара молнии.
ГРОМООТВОД,
Громоотводы предназначаются
а) для защиты построек, зданий и т. п.,
б) для защиты телефонных и телеграфных аппаратов и лиц, пользующихся этими аппаратами; к ним примыкают громоотводы, применяемые на осветительных сетях, имеющих воздушную проводку, и наконец
в) для судов.
Громоотводы, применяемые для защиты построек и судов, состоят из следующих частей:
- собирательного или разрядного приспособления (электрода)
- молниеприемника,
- отводящих (соединительных) проводов и заземляющего устройства, или заземлителя.
Действие громоотвода заключается в том, чтобы отвлечь разряд (молнию) от частей защищаемого сооружения и отвести в землю. Электрическое поле, существующее между землей и облаком во время грозы, неравномерно. В тех точках, которые возвышаются над поверхностью земли, оно искривляется и изменяется так, что у возвышения сила поля тем больше, чем резче возвышение отходит от поверхности земли, поэтому возможность попадания молнии в эту точку будет наибольшей. Таким искусственным возвышением и является громоотвод.
Применяемые для защиты зданий громоотводы. делятся на четыре главных типа:
1) системы Гей-Люсака—Франклина, состоящие из немногих высоких стержней (острий), обычно порознь соединенных сравнительно толстым отводящим проводом с заземлителем. Эта система часто применяется для защиты отдельно стоящих небольших построек, танков с воспламеняющимися жидкостями, высоких дымовых труб и т . д. Стержневой молниеприемник защищает круговое пространство с радиусом, равным или вдвое большим высоты стержня.
2) Системы Мельсанса, состоящие из ряда низких и близко друг от друга отстоящих собирательных острий, расположенных по крыше здания и соединенных между собой сравнительно тонкими проводами, со всех сторон здания отведенными к земле. Такой громоотвод представляет как бы сетку с широкими очками, накинутую на здание.
3) Типа клетки Фарадея—они похожи на громотводы Мельсанса, отличаясь от них тем, что молниеприемники отсутствуют вовсе, а здание окружено сравнительно густой сеткой заземленных проводов, которые в точках скрещивания соединены друг с другом.
Громоотводы последних двух систем дороже первой, но представляют относительно большую защиту и потому применяются там, где содержимое строения представляет значительную ценность или же где сгорание постройки представляет большую опасность (например склады взрывчатых веществ).
4) Системы Финдейзена. В них отдельные собирательные острия заменены образующими острия металлическими частями, входящими в состав крыши здания — надставки над дымовыми трубами, коньки, гребешки, флюгарки и т. п. Эти части связывают с металлической крышей, образуя ряд хорошо соединенных электрических проводников, а в качестве отводящих проводников применяют дождевые водосточные трубы, соединяя их с заземлением в их нижней части.
Молниеприемник выполняют обычно в виде железной или медной штанги, круглой или прямоугольной, заостренной вверху и имеющей, в зависимости от системы, длину от 25—50 см до 3—4 м. К нижней части штанги присоединяют отводящий провод. Отводящие провода ведут возможно кратким путем, но так, чтобы они не образовали острых углов или изгибов, а тем более—петель. Атмосферный разряд представляет разряд высокой частоты, и всякий изгиб провода образует большую самоиндукцию по сравнению с прямолинейным участком, а потому может повести к тому, что молния перескочит с отводящего провода на близлежащие металлические части.
Отводящие провода делают из медного или железного, сплошного или витого провода или из полосового металла, имея в виду, что сечение отдельных медных проводников должно быть не менее 30 мм2, железных—50мм 2 ,а всех отводящих проводов—не менее, чем вдвое больше. Отводящие провода в нижней части примыкают к заземлителю, представляющему важнейшую часть громоотвода, т. к. плохое заземление сведет нанет всю защитную роль. Заземлитель состоит из металлических проводников, находящихся в земле и обладающих возможно большой проводимостью перехода к земле. Наилучший заземлитель—водопровод.
Если водопровода нет, то пользуются медными или железными листами, сетками, трубами, проволоками, рельсами и т. п., имеющими общую поверхность не менее 1 м 2 и зарытыми в землю достаточно глубоко (не менее 1 м), если возможно до уровня грунтовых вод. Если это невозможно, увеличивают размер заземлителя и помещают его в ямах, засыпанных коксом, шлаком ит. п., расположенных у стока дождевых или сливных вод. Телефонные и телеграфные громоотводы защищают аппараты и пользующийся ими персонал от последствий попадания молнии в воздушные провода этих установок и от перехода высокого напряжения.
Эти громоотводы представляют разрядники , в которых один электрод соединен с землей, а другой или другие—с проводом или проводами установки, и имеют форму пластинок с зубцами, расположенными так, чтобы зубцы одной пластинки приходились против зубцов другой. Пластинки бывают и не металлические, а из угля. Последние часто заключают в стеклянную оболочку. Иногда пластины без зубцов накладывают одна на другую с прокладкой из тонкой слюды с отверстиями или из тонкой бумаги. Аналогичны громоотводы, порой применяемые у вводов в здания на осветительных электрических воздушных сетях, с той разницей, что они чаще принимают форму т.н. роликового разрядника, состоящего из ряда роликов, включенных между проводами сети и землей.
На судах громоотводы нужны лишь в том случае, если судно деревянное или, при металлическом корпусе, имеет деревянные мачты. Нa верхушке мачты укрепляют острие (шпильку) и соединяют его посредством прибитых к мачте медных полос с внешней металлической обшивкой корпуса. При мачтах, снабженных спускными стеньгами, отводящие провода спускной стеньги соединяются особой разъемной перемычкой («наметкой») с остальной мачтой.
ГРОЗА
ГРОЗА, атмосферное явление, вызываемое конденсацией водяных паров в атмосфере и сопровождаемое электрическими разрядами (молния, гром). Первым признаком приближающейся грозы служит появление кучеводождевых облаков (условное обозначение CuN) с закругленными вершинами и резко очерченными краями (так наз. г р о -з о в ы е б а ш н и ) . Ветер свежеет и сначала дует в ту сторону, откуда надвигается ГРОЗА. Барометр медленно падает. При начале ГРОЗы ветер резко меняет направление и начинает задувать в сторону от нее. Барометр быстро поднимается на 1—2 мм, делает скачок,т.н. « г р о з о в о й нос»; начинается сильный дождь, обыкновенно смешанный с градом, сверкает молния, сопровождаемая ударами грома.
После незначительных колебаний давление устанавливается обыкновенно на несколько более высоком уровне, чем перед ГРОЗой. Температура, высокая перед началом, с переменой ветра начинает падать. Дождь достигает наибольшей силы, когда ГРОЗА находится в зените.
В это же время наиболее интенсивные молния и гром (см.рис. 1). Необходимым условием для образования ГРОЗы является конвекция (см.), благодаря к-рой при достаточной влажности воздуха образуются на большой высоте кучевые облака (Си, CuN), основания которых при сильных ГРОЗАх обыкновенно располагаются на высоте 1—-2 км, а вершины достигают 6 к м и более.
Конвекция в больших размерах может происходить вследствие:
1) сильного нагрева земной поверхности солнечными лучами,
2) опускания на теплые массы воз-духа слоев, обладающих более низкой по-тенциальной температурой (см.), и
3) подсекания и отстранения кверху теплого влажного воздуха надвигающимися, более холодными воздушными массами.
В первом случае образуются т. н. тепловые (местные), а во втором и третьем—циклонические (вихревые) ГРОЗы. Тепловые Грозы сравнительно быстро проходят и не особенно интенсивны;после них характер погоды обычно не меняется. Циклонические Грозы связаны с прохождением частных циклонов, сопровождающих главный циклон. Они отличаются значительно большей продолжительностью и интенсивностью. После них характер погоды испытывает резкие изменения.
С у т о ч н ы й х о д г р о з.
На континентах наибольшее число Гроз падает на послеполуденные часы, когда поверхность земли бывает наиболее сильно нагрета; преимущественно происходят между 15—18 час. На море, где разность температур воды и воздуха, вследствие более быстрого охлаждения последнего, достигает максимальной величины по ночам, тепловые Грозы чаще наблюдаются ночью, преимущественно во вторую ее половину, т.к. в это время образуются наиболее мощные конвекционные Токи.
Г о д о в о й х о д .
В течение года в•средних широтах максимум грозовой деятельности падает на первую половину лета (15/V— 15/VII). Вообще 75—80% Г. наблюдается в теплое время года (май—август).
Зимние чаще всего наблюдаются на островах и в прибрежных странах; внутри континентов они случаются чрезвычайно редко. В тропиках и подтропических зонах грозы б. ч. совпадают с периодами дождей.
Г е о г р а ф и ч е с к о е р а с п р е д е -л е н и е .
Наиболее часты и интенсивны в тропических странах; напр. в Бейтензорге на о-ве Ява их бывает до 200 в году.
В СССР на севере Грозы сравнительно редки (в Карелии ок. 9 в год); к югу по направлению к Черному морю число гроз увеличивается (в черноземной полосе 15 — 20), хотя на сев.берегу Черного моря число их снова падает (в Ялте до 6). Значительно чаще и интенсивнее в горных местностях: на Кавказе и Урале. Наиболее редки на дальнем севере и в Арало-Каспийских степях. В Сибири между 50—60° широты бывает 10—20 Г.в году. Всего на земном шаре происходит по подсчетам англ. метеоролога Брукса ок.16 млн. Гроз в год (44 т. в день); приняв продолжительность в 1 час в среднем, найдем, что в среднем одновременно на земном шаре происходит 1.800 Гроз.
П р о и с х о ж д е н и е э л е к т р и ч е -с т в а Г.
После того как Франклин в 1752 доказал электрическую природу молнии, вопросу о том, что является причиной электризации грозового облака, было посвящено много исследований. Число теорий и гипотез, предложенных для его разрешения, доходит до нескольких сот, однако все они по мере уточнения методов наблюдения и усовершенствования измерительных приборов оказывались неудовлетворительными и были оставлены.
Новейшей является теория Симпсона-Ленарда. Хотя и она не дает вполне исчерпывающего ответа на все вопросы, связанные с грозовым электричеством, но все же во многих случаях хорошо согласуется с результатами наблюдений и встречает наименьшие возражения. Сущность ее сводится к следующему:
1) скорость падения дождевых капель в воздухе, находящемся в покое, возрастает пропорционально их размерам лишь до определенного диаметра;
2) капли диаметром больше 0,5 см сначала сплющиваются, а затем распадаются на более мелкие;
3) при Г. Всегда существует мощный восходящий поток воздуха. Установлено, что крупные капли, попадающие в поток, вертикальная скорость к-рого 8 л/сек. и больше, распадаются, причем происходит электризация: вода заряжается положительно, а воздух, окружающий ее,—отрицательно. Отрицательно заряженные частицы воздуха разносятся ветром по всей толще облака, сообщая и ему отрицательный заряд.
Раздробленные «капли могут снова соединяться в более крупные, падать вниз и опять раздробляться, увеличивая т. о. заряд. В результате этого процесса потенциал может возрасти настолько, что прризойдет разряд (см. Молния). На рис. 2 показаны линии тока воздуха в грозовом облаке теплового типа (сплошные линии). Струи воздуха вхг^ят справа и под передней частью облака поднимаются кверху, где они расходятся в виде пучка, причем расстояние между струями обратно пропорционально вертикальной их скорости.
Последняя достигает максимальной величины в нижней части облака. Овал, обозначенный буквой В, ограничивает область, где вертикальная составляющая ветра равна или больше 8 .и/сек. ; снарунш скорость ветра меньше этой величины. Сквозь овал дождь выпасть не может. Пунктирными линиями обозначены пути падения дождевых капель.
В крайней левой части облака дождь падает почти вертикально, тогда как в правой он отклоняется восходящим потоком влево. Величина отклонения очевидно зависит от диаметра капель. Наиболее крупные отклоняются мало, тогда как мельчайшие частицы облака увлекаются вдоль воздушного потока. Из диаграммы видно, что над областью максимальной скорости восходящего потока происходит скопление масс воды. Лишь крупнейшие капли могут проникнуть в нижнюю часть этой области, но и они, достигнув места, где скорость равна 8 м/сек.,задерживаются, распадаются и относятся кверху. Район, где происходит раздробление и восстановление крупных капель, обозначен на диаграмме замкнутой пунктирной кривой.
На рис. 3 схематически показано распределение электричества в том же облаке. Накопление положительных электрических зарядов происходит в области А.Дождь, падающий сквозь этот район, очевидно заряжен положительно; из других ча-стей облака выпадает дождь, заряженный отрицательно. Это обстоятельство подтверждается и наблюдениями. Линии с разветвлениями изображают 3 типа молнии: внутри облака, от облака к земле и от земли к облаку.
Схемы громоотвода
