Формирование грозовых разрядов. Громоотводы для деревьев К явлениям связанным с грозовой деятельностью относятся

Энциклопедичный YouTube

1 / 5

✪ Почемучка: Что такое гроза? Обучающий мультфильм для детей

✪ ГДЕ МОЖНО УВИДЕТЬ ШАРОВУЮ МОЛНИЮ

✪ Шаровая молния / Спрайты, эльфы, джеты / Грозовые явления

✪ Что будет если молния ударит в реку

✪ Жёстко в грозу, в воду, в грязь! На электросамокате ZAXBOARD AVATAR / Арстайл /

Субтитры

География гроз

Одновременно на Земле действует около полутора тысяч гроз, средняя интенсивность разрядов оценивается как 100 молний в секунду. По поверхности планеты грозы распределяются неравномерно. Над океаном гроз наблюдается приблизительно в десять раз меньше, чем над континентами. В тропической и экваториальной зоне (от 30° северной широты до 30° южной широты) сосредоточено около 78 % всех молниевых разрядов. Максимум грозовой активности приходится на Центральную Африку . В полярных районах Арктики и Антарктики и над полюсами гроз практически не бывает. Интенсивность гроз следует за солнцем: максимум гроз приходится на лето (в средних широтах) и дневные послеполуденные часы. Минимум зарегистрированных гроз приходится на время перед восходом солнца. На грозы влияют также географические особенности местности: сильные грозовые центры находятся в горных районах Гималаев и Кордильер .

Среднегодовое число дней с грозой в некоторых городах России :

Город	Число дней с грозой
Архангельск	20
Астрахань	14
Барнаул	32
Благовещенск	28
Брянск	28
Владивосток	13
Волгоград	21
Воронеж	26
Екатеринбург	28
Иркутск	15
Казань	28
Калининград	18
Красноярск	24
Москва	24
Мурманск	4
Нижний Новгород	28
Новосибирск	20
Омск	27
Оренбург	28
Петропавловск-Камчатский	1
Ростов-на-Дону	31
Самара	25
Санкт-Петербург	16
Саратов	28
Сочи	50
Ставрополь	26
Сыктывкар	25
Томск	24
Уфа	31
Хабаровск	25
Ханты-Мансийск	20
Челябинск	24
Чита	27
Южно-Сахалинск	7
Якутск	12

Стадии развития грозового облака

Необходимыми условиями для возникновения грозового облака является наличие условий для развития конвекции или иного механизма, создающего восходящие потоки запаса влаги, достаточного для образования осадков, и наличия структуры, в которой часть облачных частиц находится в жидком состоянии, а часть - в ледяном. Конвекция, приводящая к развитию гроз, возникает в следующих случаях:

при неравномерном нагревании приземного слоя воздуха над различной подстилающей поверхностью. Например, над водной поверхностью и сушей из-за различий в температуре воды и почвы. Над крупными городами интенсивность конвекции значительно выше, чем в окрестностях города.
при подъёме или вытеснении тёплого воздуха холодным на атмосферных фронтах. Атмосферная конвекция на атмосферных фронтах значительно интенсивнее и чаще, чем при внутримассовой конвекции. Часто фронтальная конвекция развивается одновременно со слоисто-дождевыми облаками и обложными осадками, что маскирует образующиеся кучево-дождевые облака.
при подъёме воздуха в районах горных массивов. Даже небольшие возвышенности на местности приводят к усилению образования облаков (за счёт вынужденной конвекции). Высокие горы создают особенно сложные условия для развития конвекции и почти всегда увеличивают её повторяемость и интенсивность.

Все грозовые облака, независимо от их типа, последовательно проходят стадии кучевого облака, стадию зрелого грозового облака и стадию распада .

Классификация грозовых облаков

В 20 веке грозы классифицировались в соответствии с условиями формирования: внутримассовые, фронтальные или орографические . В настоящее время более принято классифицировать грозы в соответствии с характеристиками самих гроз, и эти характеристики в основном зависят от метеорологического окружения, в котором развивается гроза.
Основным необходимым условием для образования грозовых облаков является состояние неустойчивости атмосферы, формирующее восходящие потоки. В зависимости от величины и мощности таких потоков формируются грозовые облака различных типов.

Одноячейковое

Одноячейковые кучево-дождевые (Cumulonimbus, Cb) облака развиваются в дни со слабым ветром в малоградиентном барическом поле. Их называют ещё внутримассовыми или локальными. Они состоят из конвективной ячейки с восходящим потоком в центральной своей части, могут достигать грозовой и градовой интенсивности и быстро разрушаться с выпадением осадков. Размеры такого облака: поперечный - 5-20 км, вертикальный - 8-12 км, продолжительность жизни - около 30 минут, иногда - до 1 часа. Серьёзных изменений погоды после грозы не происходит.
Формирование облачности начинается с возникновения кучевого облака хорошей погоды (Cumulus humilis). При благоприятных условиях возникшие кучевые облака быстро растут как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении, при этом восходящие потоки находятся почти по всему объёму облака и увеличиваются от 5 м/с до 15-20 м/с. Нисходящие потоки очень слабы. Окружающий воздух активно проникает внутрь облака за счёт смешения на границе и вершине облака. Облако переходит в стадию средних кучевых (Cumulus mediocris). Образующиеся в результате конденсации мельчайшие водяные капли в таком облаке сливаются в более крупные, которые уносятся мощными восходящими потоками вверх. Облако ещё однородное, состоит из капель воды, удерживаемых восходящим потоком, - осадки не выпадают. В верхней части облака при попадании частиц воды в зону отрицательных температур капли постепенно начинают превращаться в кристаллы льда. Облако переходит в стадию мощного кучевого облака (Cumulus congestus). Смешанный состав облака приводит к укрупнению облачных элементов и созданию условий для выпадения осадков и образования грозовых разрядов. Такое облако называют кучево-дождевым (Cumulonimbus) или (в частном случае) кучево-дождевым лысым (Cumulonimbus calvus). Вертикальные потоки в нём достигают 25 м/с, а уровень вершины достигает высоты 7-8 км.
Испаряющиеся частицы осадков охлаждают окружающий воздух, что приводит к дальнейшему усилению нисходящих потоков. На стадии зрелости в облаке одновременно присутствуют и восходящие, и нисходящие воздушные потоки.
На стадии распада в облаке преобладают нисходящие потоки, которые постепенно охватывают все облако.

Многоячейковые кластерные грозы

Это наиболее распространённый тип гроз, связанный с мезомасштабными (имеющими масштаб от 10 до 1000 км) возмущениями. Многоячейковый кластер состоит из группы грозовых ячеек, двигающихся как единое целое, хотя каждая ячейка в кластере находится на разных стадиях развития грозового облака. Грозовые ячейки, находящиеся в стадии зрелости, обычно располагаются в центральной части кластера, а распадающиеся ячейки - с подветренной стороны кластера. Они имеют поперечные размеры 20-40 км, их вершины нередко поднимаются до тропопаузы и проникают в стратосферу. Многоячейковые кластерные грозы могут давать град, ливневые дожди и относительно слабые шквальные порывы ветра. Каждая отдельная ячейка в многоячейковом кластере находится в зрелом состоянии около 20 минут; сам многоячейковый кластер может существовать в течение нескольких часов. Данный тип грозы обычно более интенсивен, чем одноячейковая гроза, но много слабее суперъячейковой грозы.

Многоячейковые линейные грозы (линии шквалов)

Многоячейковые линейные грозы представляют собой линию гроз с продолжительным, хорошо развитым фронтом порывов ветра на передней линии фронта. Линия шквалов может быть сплошной или содержать бреши. Приближающаяся многоячейковая линия выглядит как тёмная стена облаков, обычно покрывающая горизонт с западной стороны (в северном полушарии). Большое число близко расположенных восходящих/нисходящих потоков воздуха позволяет квалифицировать данный комплекс гроз как многоячеечный, хотя его грозовая структура резко отличается от многоячейковой кластерной грозы. Линии шквалов могут давать крупный град (диаметром более 2 см) и интенсивные ливни, но они известны как системы, создающие сильные нисходящие потоки и сдвиги ветра , опасные для авиации. Линия шквалов близка по свойствам к холодному фронту, но является локальным результатом грозовой деятельности. Часто линия шквалов возникает впереди холодного фронта. На радарных снимках эта система напоминает изогнутый лук (bow echo). Данное явление характерно для Северной Америки, на территории Европы и Европейской территории России наблюдается реже.

Суперъячейковые грозы

Суперъячейка - наиболее высокоорганизованное грозовое облако. Суперъячейковые облака относительно редки, но представляют наибольшую угрозу для здоровья и жизни человека и его имущества. Суперъячейковое облако схоже с одноячейковым тем, что оба имеют одну зону восходящего потока. Различие состоит в размере суперъячейки: диаметр порядка 50 км, высота - 10-15 км (нередко верхняя граница проникает в стратосферу) с единой полукруглой наковальней. Скорость восходящего потока в суперъячейковом облаке значительно выше, чем в других типах грозовых облаков: до 40-60 м/с. Основной особенностью, отличающей суперъячейковое облако от облаков других типов, является наличие вращения. Вращающийся восходящий поток в суперъячейковом облаке (в радарной терминологии называемый мезоциклоном), создаёт экстремальные по силе погодные явления, такие, как крупный град (диаметром 2-5 см, иногда и более), шквалы со скоростью до 40 м/с и сильные разрушительные смерчи . Окружающие условия являются основным фактором в образовании суперъячейкового облака. Необходима очень сильная конвективная неустойчивость воздуха. Температура воздуха у земли (до грозы) должна быть +27…+30 и выше, но главным необходимым условием является ветер переменного направления, вызывающий вращение. Такие условия достигаются при сдвиге ветра в средней тропосфере. Осадки, образующиеся в восходящем потоке, переносятся по верхнему уровню облака сильным потоком в зону нисходящего потока. Таким образом, зоны восходящего и нисходящего потоков оказываются разделёнными в пространстве, что обеспечивает жизнь облака в течение длительного периода времени. Обычно на передней кромке суперъячейкового облака наблюдается слабый дождь. Ливневые осадки выпадают вблизи зоны восходящего потока, а наиболее сильные осадки и крупный град выпадают к северо-востоку от зоны основного восходящего потока. Наиболее опасные условия наблюдаются неподалёку от зоны основного восходящего потока (обычно смещённые к задней части грозы).

Физические характеристики грозовых облаков

Самолётные и радарные исследования показывают, что единичная грозовая ячейка обычно достигает высоты порядка 8-10 км и живёт порядка 30 минут. Изолированная гроза обычно состоит из нескольких ячеек, находящихся в различных стадиях развития, и длится порядка часа. Крупные грозы могут достигать в диаметре десятков километров, их вершина может достигать высоты свыше 18 км, и они могут длиться много часов.

Восходящие и нисходящие потоки

Восходящие и нисходящие потоки в изолированных грозах обычно имеют диаметр от 0,5 до 2,5 км и высоту от 3 до 8 км. Иногда диаметр восходящего потока может достигать 4 км. Вблизи поверхности земли потоки обычно увеличиваются в диаметре, а скорость в них падает по сравнению с выше расположенными потоками. Характерная скорость восходящего потока лежит в диапазоне от 5 до 10 м/с и доходит до 20 м/с в верхней части крупных гроз. Исследовательские самолёты, пролетающие сквозь грозовое облако на высоте 10 000 м, регистрируют скорость восходящих потоков свыше 30 м/с. Наиболее сильные восходящие потоки наблюдаются в организованных грозах.

Шквалы

В некоторых грозах возникают интенсивные нисходящие воздушные потоки, создающие на поверхности земли ветер разрушительной силы. В зависимости от размера такие нисходящие потоки называются шквалами или микрошквалами. Шквал диаметром более 4 км может создавать ветер до 60 м/с. Микрошквалы имеют меньшие размеры, но создают ветер скоростью до 75 м/с. Если порождающая шквал гроза образуется из достаточно тёплого и влажного воздуха, то микрошквал будет сопровождаться интенсивным ливневым дождём. Однако, если гроза формируется из сухого воздуха, осадки во время выпадения могут испариться (испаряющиеся в воздухе полосы осадков или virga), и микрошквал будет сухим. Нисходящие воздушные потоки являются серьёзной опасностью для самолётов, особенно во время взлёта или посадки, так как они создают вблизи земли ветер с сильными внезапными изменениями скорости и направления.

Вертикальное развитие

В общем случае, активное конвективное облако будет подниматься до тех пор, пока оно не утратит плавучесть. Потеря плавучести связана с нагрузкой, создаваемой образовавшимися в облачной среде осадками, или смешением с окружающим сухим холодным воздухом, или комбинацией этих двух процессов. Рост облака также может быть остановлен слоем блокирующей инверсии, то есть слоем, где температура воздуха растёт с высотой. Обычно грозовые облака достигают высоты порядка 10 км, но иногда достигают высот более 20 км. Когда влагосодержание и нестабильность атмосферы высоки, то при благоприятном ветре облако может вырасти до тропопаузы, слоя, отделяющего тропосферу от стратосферы. Тропопауза характеризуется температурой, остающейся приблизительно постоянной с ростом высоты и известной как область высокой стабильности. Как только восходящий поток начинает приближаться к стратосфере, то довольно скоро воздух в вершине облака становится холоднее и тяжелее окружающего воздуха, и рост вершины останавливается. Высота тропопаузы зависит от широты местности и от сезона года. Она варьируется от 8 км в полярных регионах до 18 км и выше вблизи экватора.

Когда кучевое конвективное облако достигает блокирующего слоя инверсии тропопаузы, оно начинает растекаться в стороны и образует характерную для грозовых облаков «наковальню». Ветер, дующий на высоте наковальни, обычно сносит облачный материал по направлению ветра.

Турбулентность

Самолёт, пролетающий сквозь грозовое облако (залетать в кучево-дождевые облака запрещается), обычно попадает в болтанку, бросающую самолёт вверх, вниз и в стороны под действием турбулентных потоков облака. Атмосферная турбулентность создаёт ощущение дискомфорта для экипажа самолёта и пассажиров и вызывает нежелательные нагрузки на самолёт. Турбулентность измеряется разными единицами, но чаще её определяют в единицах g - ускорения свободного падения (1g = 9,8 м/с 2). Шквал в один g создаёт опасную для самолётов турбулентность. В верхней части интенсивных гроз зарегистрированы вертикальные ускорения до трёх g.

Движение

Скорость и движение грозового облака зависит от направления ветра, прежде всего, взаимодействия восходящего и нисходящего потоков облака с несущими воздушными потоками в средних слоях атмосферы, в которых развивается гроза. Скорость перемещения изолированной грозы обычно порядка 20 км/ч, но некоторые грозы двигаются гораздо быстрее. В экстремальных ситуациях грозовое облако может двигаться со скоростями 65-80 км/ч - во время прохождения активных холодных фронтов. В большинстве гроз по мере рассеивания старых грозовых ячеек последовательно возникают новые грозовые ячейки. При слабом ветре отдельная ячейка за время своей жизни может пройти совсем небольшой путь, меньше двух километров; однако в более крупных грозах новые ячейки запускаются нисходящим потоком, вытекающим из зрелой ячейки, что создаёт впечатление быстрого движения, не всегда совпадающего с направлением ветра. В больших многоячейковых грозах существует закономерность, когда новая ячейка формируется справа по направлению несущего воздушного потока в северном полушарии и слева от направления несущего потока в южном полушарии.

Энергия

Энергия, которая приводит в действие грозу, заключена в скрытой теплоте, высвобождающейся, когда водяной пар конденсируется и образует облачные капли. На каждый грамм конденсирующейся в атмосфере воды высвобождается приблизительно 600 калорий тепла. Когда водяные капли замерзают в верхней части облака, дополнительно высвобождается ещё около 80 калорий на грамм. Высвобождающаяся скрытая тепловая энергия частично преобразуется в кинетическую энергию восходящего потока. Грубая оценка общей энергии грозы может быть сделана на основе общего количества воды, выпавшей в виде осадков из облака. Типичной является энергия порядка 100 миллионов киловатт-часов, что по приблизительной оценке эквивалентно ядерному заряду в 20 килотонн (правда, эта энергия выделяется в гораздо большем объёме пространства и за гораздо большее время). Большие многоячейковые грозы могут обладать энергией в десятки и сотни раз большей.

Погодные явления под грозами

Нисходящие потоки и шквальные фронты

Нисходящие потоки в грозах возникают на высотах, где температура воздуха ниже, чем температура в окружающем пространстве, и этот поток становится ещё холоднее, когда в нём начинают таять ледяные частицы осадков и испаряться облачные капли. Воздух в нисходящем потоке не только более плотный, чем окружающий воздух, но и он несёт ещё горизонтальный момент количества движения, отличающийся от окружающего воздуха. Если нисходящий поток возникает, например, на высоте 10 км, то он достигнет поверхности земли с горизонтальной скоростью, заметно большей, чем скорость ветра у земли. У земли этот воздух выносится вперёд перед грозой со скоростью, большей, чем скорость движения всего облака. Именно поэтому наблюдатель на земле ощутит приближение грозы по потоку холодного воздуха ещё до того, как грозовое облако окажется у него над головой. Распространяющийся по земле нисходящий поток образует зону глубиной от 500 метров до 2 км с отчётливым различием между холодным воздухом потока и тёплым влажным воздухом, из которого формируется гроза. Прохождение такого шквального фронта легко определяется по усилению ветра и внезапному падению температуры. За пять минут температура воздуха может понизиться на 5 °C или больше. Шквал образует характерный шквальный ворот с горизонтальной осью, резким падением температуры и изменением направления ветра.

В экстремальных случаях фронт шквала, созданный нисходящим потоком, может достичь скорости, превышающей 50 м/с, и приносит разрушения домам и посевам. Более часто сильные шквалы возникают, когда организованная линия гроз развивается в условиях сильного ветра на средних высотах. При этом люди могут подумать, что эти разрушения вызваны смерчем. Если нет свидетелей, видевших характерное воронкообразное облако смерча, то причину разрушения можно определить по характеру разрушений, вызванных ветром. В смерчах разрушения имеют круговую картину, а грозовой шквал, вызванный нисходящим потоком, несёт разрушения преимущественно в одном направлении. Следом за холодным воздухом обычно начинается дождь. В некоторых случаях дождевые капли полностью испаряются во время падения, что приводит к сухой грозе. В противоположной ситуации, характерной для сильных многоячейковых и суперъячейковых гроз, идёт проливной дождь с градом, вызывающий внезапные наводнения.

Смерчи

Смерч - это сильный маломасштабный вихрь под грозовыми облаками с приблизительно вертикальной, но часто изогнутой осью. От периферии к центру смерча наблюдается перепад давления в 100-200 гПа. Скорость ветра в смерчах может превышать 100 м/с, теоретически может доходить до скорости звука. В России смерчи возникают сравнительно редко. Наибольшая повторяемость смерчей приходится на юг европейской части России.

Ливни

В небольших грозах пятиминутный пик интенсивных осадков может превосходить 120 мм/ч, но весь остальной дождь имеет на порядок меньшую интенсивность. Средняя гроза даёт порядка 2000 кубометров осадков, но крупная гроза может дать в десять раз больше. Большие организованные грозы, связанные с мезомасштабными конвективными системами, могут создать от 10 до 1000 миллионов кубометров осадков.

Электрическая структура грозового облака

Распределение и движение электрических зарядов внутри и вокруг грозового облака является сложным непрерывно меняющимся процессом. Тем не менее, можно представить обобщённую картину распределения электрических зарядов на стадии зрелости облака. Доминирует положительная дипольная структура, в которой положительный заряд находится в верхней части облака, а отрицательный заряд находится под ним внутри облака. В основании облака и под ним наблюдается нижний положительный заряд. Атмосферные ионы, двигаясь под действием электрического поля, формируют на границах облака экранирующие слои, маскирующие электрическую структуру облака от внешнего наблюдателя. Измерения показывают, что в различных географических условиях основной отрицательный заряд грозового облака расположен на высотах с температурой окружающего воздуха от −5 до −17 °C. Чем больше скорость восходящего потока в облаке, тем на большей высоте находится центр отрицательного заряда. Плотность объёмного заряда лежит в диапазоне 1-10 Кл/км³. Существует заметная доля гроз с инверсной структурой зарядов: - отрицательным зарядом в верхней части облака и положительным зарядом во внутренней части облака, а также со сложной структурой с четырьмя и более зонами объёмных зарядов разной полярности.

Механизм электризации

Для объяснения формирования электрической структуры грозового облака предлагалось много механизмов, и до сих пор эта область науки является областью активных исследований. Основная гипотеза основана на том, что если более крупные и тяжёлые облачные частицы заряжаются преимущественно отрицательно, а более лёгкие мелкие частицы несут положительный заряд, то пространственное разделение объёмных зарядов возникает за счёт того, что крупные частицы падают с большей скоростью, чем мелкие облачные компоненты. Этот механизм, в целом, согласуется с лабораторными экспериментами, которые показывают сильную передачу заряда при взаимодействии частиц ледяной крупы (крупа - пористые частицы из замёрзших водяных капелек) или града с ледяными кристаллами в присутствии переохлаждённых водяных капель. Знак и величина передаваемого при контактах заряда зависят от температуры окружающего воздуха и водности облака, но также и от размеров ледяных кристаллов, скорости столкновения и других факторов. Возможно также действие и других механизмов электризации. Когда величина накопившегося в облаке объёмного электрического заряда становится достаточно большой, между областями, заряженными противоположным знаком, происходит молниевый разряд. Разряд может произойти также между облаком и землёй, облаком и нейтральной атмосферой, облаком и ионосферой. В типичной грозе от двух третей до 100 процентов разрядов приходятся на внутриоблачные разряды, межоблачные разряды или разряды облако - воздух. Оставшаяся часть - это разряды облако-земля. В последние годы стало понятно, что молния может быть искусственно инициирована в облаке, которое в обычных условиях не переходит в грозовую стадию. В облаках, имеющих зоны электризации и создающих электрические поля, молнии могут быть инициированы горами, высотными сооружениями, самолётами или ракетами, оказавшимися в зоне сильных электрических полей.

Меры предосторожности во время грозы

Меры предосторожности обусловлены тем, что молния бьёт в основном в более высокие предметы. Это происходит потому, что электрический разряд идёт по пути наименьшего сопротивления, то есть по более короткому пути.

Во время грозы ни в коем случае нельзя:

находиться возле линий электропередачи;
прятаться от дождя под деревьями (особенно под высокими или одиноко стоящими);
плавать в водоёмах (так как голова пловца выступает из воды, кроме того, вода, благодаря растворённым в ней веществам, обладает хорошей электропроводностью);
находиться в открытом пространстве, в «чистом поле», так как в этом случае человек значительно выступает над поверхностью;
забираться на возвышенности, в том числе на крыши домов;
пользоваться металлическими предметами;
находиться возле окон;
ездить на велосипеде и мотоцикле;
пользоваться мобильным телефоном (электромагнитные волны обладают хорошей электропроводностью).

Несоблюдение этих правил часто приводит к гибели людей или получению ожогов и тяжёлых травм.

Д еревья нередко становятся мишенью для ударов молний, что подчас приводит к очень серьезным последствиям. Мы расскажем о том, какую опасность несет поражение молнией как для самих деревьев, так и для живущих рядом с ними людей, а также как можно снизить риски, связанные с этим явлением.

Куда бьет молния

Для значительной части территории Земли грозы – вполне обыденное явление. Одновременно над Землей бушует около полутора тысяч гроз. Ежегодно, например, в Москве наблюдается более 20 грозовых дней. Но несмотря на привычность этого природного явления, его мощь не может не потрясать. Напряжение тока средней молнии около 100 000 вольт, а сила тока 20 000–50 000 ампер. Температура канала молнии при этом достигает 25 000 – 30 000 °C. Неудивительно, что попадание молнии в строения, деревья или людей и распространение ее электрического заряда часто приводит к катастрофическим последствиям.

Хотя поражение молнией отдельно взятого наземного объекта, будь то здание, мачта или дерево, довольно редкое событие, колоссальная разрушительная сила делает грозы одним из наиболее опасных для человека природных явлений. Так, по статистике, каждый седьмой пожар в сельской местности начинается из-за удара молнии, по количеству вызванных природными бедствиями зарегистрированных смертельных случаев молнии занимают второе место, уступая только наводнениям.

Вероятность поражения наземных объектов (в том числе и деревьев) молнией зависит от нескольких факторов:

от интенсивности грозовой активности в регионе (связана с особенностями климата);
от высоты данного объекта (чем выше, тем вероятнее удар молнии);
от электрического сопротивления объекта и расположенных под ними слоев почвы (чем ниже электрическое сопротивление объекта и расположенных под ним слоев почвы, тем выше вероятность разряда в него молнии).

Из сказанного понятно, почему деревья часто становятся мишенью для молний: дерево нередко является преобладающим по высоте элементом рельефа, насыщенная влагой живая древесина, связанная с глубокими, обладающими низким электрическим сопротивлением слоями грунта, часто представляет собой неплохо заземленный естественный громоотвод.

Грозовая активность в некоторых населенных пунктах Московской области

Населенный пункт	Среднегодовая продолжительность гроз, часы	Удельная плотность ударов молний в 1 км²	Общая характеристика грозовой активности
Волоколамск	40–60	4	высокая
Истра	40–60	4	высокая
Новый Иерусалим	40–60	4	высокая
Павловский Посад	20–40	2	средняя
Москва	20–40	2	средняя
Кашира	20–40	2	средняя

Чем опасно поражение молнией дерева

Последствия удара молнии в дерево часто оказываются разрушительными как для него самого, так и для расположенных рядом строений, а также представляют значительную угрозу для людей, оказавшихся в этот момент поблизости. В момент прохождения мощного электрического заряда через древесину происходит мощное выделение тепла и взрывное испарение влаги внутри ствола. Результатом этого становятся повреждения разной тяжести: от поверхностных ожогов или трещин до полного расщепления ствола или возгорания дерева. В некоторых случаях внутри ствола возникают значительные механические повреждения (продольные трещины или расщепление древесины по годичным кольцам), практически незаметные при внешнем осмотре, но существенно увеличивающие риск падения дерева в ближайшем будущем. Нередко серьезные, но незаметные при визуальном осмотре повреждения могут получать и корни дерева.

В том случае, если повреждение молнией не приводит к мгновенному разрушению или гибели дерева, полученные им обширные травмы могут стать причиной развития опасных болезней, например гнилей, сосудистых заболеваний, ослабленное растение становится легкой добычей стволовых вредителей. В результате этого дерево может стать небезопасным или усохнуть.

Удары молнии в деревья (в том числе и живые) нередко вызывают пожары, которые переходят и на близлежащие строения. Иногда боковой разряд от дерева передается на стену здания, даже если на нем установлен молниеотвод. Наконец, электрический потенциал от пораженного дерева распространяется в поверхностных слоях грунта, в результате чего он может быть занесен в здание, повредить подземные коммуникации или привести к поражению электрическим током людей или домашних животных.

Удар молнии в дерево способен причинить значительный материальный ущерб даже в том случае, если аварийной ситуации при этом не возникло. Ведь оценка безопасности такого дерева, специальный уход за ним либо даже простое удаление засохшего или безнадежно больного дерева может быть связано со значительными материальными затратами.

Иногда боковой разряд от дерева передается на стену здания, даже если на нем установлен молниеотвод.

Проблемы нормативной базы

Таким образом, молниезащита особенно ценных деревьев (являющихся центром ландшафтных композиций, исторических и редких) или деревьев, произрастающих вблизи жилья, может быть практически оправданной. Однако нормативная база, предписывающая или регулирующая молниезащиту деревьев, в нашей стране полностью отсутствует. Такое положение дел является скорее следствием инертности отечественной нормативно-правовой базы, чем адекватной оценкой рисков, связанных с поражением молниями деревьев в урбанизированной среде.

Основной действующий отечественный стандарт по молниезащите датируется 1987 годом. Отношение к молниезащите в загородной местности в этом документе отражает реалии и позиции того времени: материальная ценность большинства загородных построек была невелика, а интересы государства фокусировались на защите общественной, а не частной собственности. Кроме того, составители отечественных стандартов исходили из предположения, что при строительстве загородного жилья соблюдаются строительные нормы и правила, но это не всегда так. В частности, минимальное расстояние от ствола дерева до стены здания должно быть не менее 5 м. В реалиях же загородного строительства дома часто располагают вплотную к деревьям. Причем владельцы таких деревьев, как правило, неохотно соглашаются на их удаление.

В других странах нормативы по молниезащите есть: например американский – ANSI A 300 Part 4 или британский – British Standard 6651 регулирует в том числе и молниезащиту деревьев.

Минимальное расстояние от ствола дерева до стены здания должно быть не менее 5 м.

Когда необходима защита?

В каких случаях имеет смысл задуматься о молниезащите дерева? Перечислим факторы, на основании которых может быть рекомендовано такое решение.

Дерево произрастает на открытой местности или заметно выше соседних деревьев, зданий, сооружений и элементов рельефа . Преобладающие по высоте объекты поражаются молниями чаще.

Район с высокой грозовой активностью. При высокой частоте гроз вероятность поражения деревьев (как и других объектов) возрастает. Основными характеристиками грозовой активности являюся среднегодовое число грозовых часов, а также средняя удельная плотность ударов молний в землю (среднегодовое число ударов молний на 1 км²) земной поверхности. Последний показатель используется для расчета ожидаемого числа поражений объекта (в том числе и дерева) молнией в год. Например, в случае района со средней продолжительностью грозовых часов 40–60 в год (в частности, некоторые районы Московской области) можно ожидать поражения дерева высотой 25 м один раз в 20 лет.

Расположение участка вблизи водоемов, подземных ключей, повышенная влажность почвы на участке . Такое расположение дополнительно увеличивает риск поражения дерева молнией.

Высокое дерево произрастает на расстоянии трех или менее метров от здания. Такое расположение дерева не влияет на вероятность попадания в него молнии. Однако поражение деревьев, расположенных вблизи строений, несет значительные угрозы как для самих строений, так и для находящихся в них людей. При этом повышается риск поражения здания боковым разрядом, очень велик риск повреждения кровли при падении дерева, при его возгорании пожар может распространиться на здание.

Ветви дерева нависают над кровлей здания, касаются его стен, козырьков, водостоков или декоративных элементов фасада . В этом случае также повышается риск повреждения здания, возгораний, переноса разряда на дом.

Дерево относится к породе, часто или регулярно поражаемой ударами молний . Деревья некоторых пород поражаются молниями чаще, чем другие. Наиболее часто поражаются молниями дубы.

Корни дерева, произрастающего рядом со зданием, могут контактировать с подземным фундаментом или подходящими к дому коммуникациями . В этом случае при поражении молнией дерева повышается вероятность «заноса» разряда в помещения или повреждения коммуникаций (например, датчиков системы полива и электросетей).

Специалисты по молниезащите зданий рекомендуют установку отдельно стоящегомолниеприемника, при этом на расстоянии от 3 до 10 м есть деревья, подходящие по высоте и другим параметрам для установки молниеприемника и токоотвода . Установка отдельной мачты может обойтись довольно дорого. Для многих владельцев загородных домов такие мачты также эстетически неприемлемы. И наконец, разместить мачту в лесной зоне таким образом, чтобы при ее строительстве не пострадали корни деревьев или растяжки не мешали перемещению людей, бывает очень не просто.

Подверженность поражению незащищенных деревьев некоторых пород
(из стандарта ANSI A 300, Part 4)

Принцип действия

Принцип действия системы молниезащиты состоит в том, что разряд молнии «перехватывается» молниеприемником, безопасно проводится токоотводом и передается в глубокие слои почвы при помощи заземления.

Компонентами системы молниезащиты дерева являются: молниеприемник (один или несколько), надземный токоотвод, подземный токоотвод и система заземления, состоящая из нескольких заземляющих стержней или пластин.

При разработке собственных схем молниезащиты мы столкнулись с необходимостью сочетания отечественных стандартов по молниезащите зданий и сооружений и западных стандартов, регулирующих молниезащиту деревьев. Необходимость такого сочетания связана с тем, что в действующих отечественных стандартах нет рекомендаций по установке систем молниезащиты на деревья, а более старые предписания включают инструкции, представляющие угрозу для здоровья дерева. В то же время американский стандарт ANSI A 300, содержащий подробную информацию о креплении системы на дереве и принципах ее установки и обслуживания предъявляет более низкие требования к электробезопасности системы по сравнению с отечественными нормативами.

Компоненты молниезащиты выполняются из меди или нержавеющей стали. При этом, во избежание коррозии, используется только один из выбранных материалов во всех соединениях и контактах между проводящими элементами. Однако при использовании меди допускается применение бронзовых элементов крепления. Медные компоненты дороже, но имеют большую проводимость, что позволяет уменьшить размер компонентов, сделать их менее заметными и сократить расходы на монтаж системы.

По статистике, каждый седьмой пожар в сельской местности начинается из-за удара молнии, по количеству вызванных природными бедствиями зарегистрированных смертельных случаев молнии занимают второе место, уступая только наводнениям.

Компоненты системы

Молниеприемник представляет собой замкнутую на конце металлическую трубку. Токоотвод входит внутрь молниеприемника и присоединяется к нему болтами.

Для деревьев с раскидистой кроной бывают необходимы дополнительны токоприемники, поскольку в этом случае разряд молнии может ударить в ветви или вершины, удаленные от молниеприемника. Если на дереве установлена система механической поддержки ветвей на основе металлических тросов, то при выполнении молниезащиты она также должна быть заземлена. Для этого при помощи болтового контакта к ней присоединяется дополнительный токоотвод. Следует учитывать, что прямой контакт меди с оцинкованным тросом недопустим, поскольку ведет к коррозии.

Токоотводы от молниеприемников и дополнительных контактов соединяются при помощи специальных зажимных контактов или болтовых соединений. В соответствии со стандартом ANSI A 300 для молниезащиты деревьев используются токоотводы в виде цельнометаллических стальных кабелей различного плетения. В соответствии с отечественными стандартами минимальное эффективное сечение токоотвода из меди – 16 мм², минимальный размер эффективного сечения токоотвода из стали – 50 мм. При проведении токоотводов по дереву необходимо избегать их резких изгибов. Недопустимы изгибы токоотводов под углом меньше 900, радиус кривизны изгиба не должен быть меньше 20 см.

Токоотводы присоединяются к стволу при помощи металлических зажимов, заглубляемых в древесину ствола на несколько сантиметров. Материал зажимов не должен приводить к контактной коррозии при соединении с токоотводом. Фиксировать токоотводы, привязывая их к дереву проволокой, нельзя, поскольку радиальный рост ствола приведет к возникновению кольцевых травм и усыханию дерева. Жесткая фиксация токоотводов на поверхности ствола (скобами) приведет к их врастанию в ствол, снижению долговечности и безопасности системы и развитию обширной стволовой гнили. Оптимальный вариант крепления системы – установка динамических зажимов. В этом случае при увеличении диаметра ствола держатели с кабелями автоматически поджимаются к концу стержня давлением тканей дерева. Отметим, что заглубление штифтов зажимов на несколько сантиметров в древесину и их последующая частичная инкапсуляция деревом практически не наносит ему никакого вреда.

Токоотводы спускаются вниз по стволу до его основания и заглубляются в траншею.

Минимальная глубина траншеи для подземной части токоотвода, предписываемая стандартом ANSI A 300, – 20 см. Копка траншеи проводится вручную с сохранением максимального числа корней. В тех случаях, когда повреждение корней особенно нежелательно, для устройства траншеи следует использовать специальное оборудование. Например, воздушный нож – компрессорный инструмент, предназначенный для выполнения земляных работ в приствольной зоне деревьев. Это устройство, используя сильный сфокусированный поток воздуха, способно удалить частицы грунта, не повреждая даже самых тонких корней дерева.

Тип и параметры заземляющего устройства и расстояние, на которое должен отходить до него токоотвод, определяются свойствами грунта. Это связано с необходимостью сократить до требуемого уровня импульсное сопротивление заземления – электрическое сопротивление растеканию импульса электрического тока от заземляющего электрода. По отечественным нормам в местах, регулярно посещаемых людьми, такое сопротивление не должно превышать 10 Ом. Данная величина сопротивления заземлению должна исключить искровые пробои тока от подземного токоотвода и заземлителя на поверхность почвы и, следовательно, предотвратить поражение людей, строений и коммуникаций электрическим током. Основной показатель грунта, определяющий выбор схемы заземления, – удельное сопротивление грунта – сопротивление между двумя гранями 1 м³ земли при прохождении по нему тока.

Чем выше удельное сопротивление грунта, тем более разветвленной должна быть система заземления, чтобы обеспечить безопасное стекание электрического заряда. На грунтах с небольшим удельным сопротивлением –до 300 Ом (суглинки, глины, заболоченная местность), – как правило, применяется система заземления из двух вертикальных заземляющих стержней, соединенных токоотводом. Между стержнями выдерживается расстояние не менее 5 м. Длина стержней 2,5–3 м, верхний конец стержня заглубляется на 0,5 м.

На грунтах с большими значениями удельного сопротивления (супеси, пески, гравий) используются многолучевые системы заземления. При ограничении возможной глубины залегания заземления применяются заземляющие пластины. Для удобства осмотров и тестирования надежности заземления над заземляющими элементами устанавливаются небольшие колодцы.

Удельное сопротивление грунта не постоянная величина, ее значение сильно зависит от влажности грунта. Поэтому в засушливое время года надежность заземления может снижаться. Для предотвращения этого используется несколько приемов. Во-первых, заземляющие стержни по возможности размещаются в зоне полива. Во-вторых, верхняя часть стержня заглубляется на 0,5 м ниже поверхности грунта (верхние 0,5 м грунта наиболее склонны к пересыханию). В-третьих, при необходимости в грунт добавляется бентонит – естественный влагоудерживающий компонент. Бентонит представляет собой мелкие коллоидные частицы минеральной глины, поровое пространство которых хорошо удерживает влагу и стабилизирует влажность грунта.

Насыщенная влагой живая древесина, связанная с глубокими, обладающими низким электрическим сопротивлением слоями грунта, часто представляет собой неплохо заземленный естественный громоотвод.

Распространенные ошибки

В отечественной практике молниезащита деревьев применяется редко, и в тех случаях, когда она все же производится, при ее устройстве совершается ряд серьезных ошибок. Так, в качестве молниеотводов, как правило, используются металлические прутки, закрепляемые на дереве при помощи проволоки или металлических обручей. Такой вариант крепления приводит к возникновению серьезных кольцевых травм ствола, которые со временем приводят к полному усыханию дерева. Определенную опасность представляет и врастание токоотвода в ствол дерева, приводящее к возникновению обширных открытых продольных ран на стволе.

Поскольку установка молниезащиты на деревья производится электромонтажниками, то для подъема на дерево ими обычно используются гафы (кошки) – ботинки с металлическими шипами, наносящие серьезные травмы дереву.

К сожалению, игнорируются и особенности кроны дерева: как правило, не учитывается необходимость установки нескольких молниеприемников на многовершинные деревья с широкими кронами, не учитываются также и структурные дефекты ветвления дерева, что нередко приводит к слому и падению вершины с установленным молниеприемником.

Молниезащиту деревьев нельзя назвать распространенной практикой. Показания к ее выполнению встречаются в районах с умеренной грозовой активностью достаточно редко. Тем не менее в тех случаях, когда молниезащита деревьев необходима, крайне важно ее правильное выполнение. Проектируя и устанавливая такие системы, важно учитывать не только надежность самого молниеотвода, но и безопасность системы для защищаемого дерева.

Итоговая надежность молниезащиты будет зависеть как от правильного выбора ее материалов, контактов и заземления, так и от устойчивости самого дерева. Только учитывая особенности структуры кроны, радиального прироста, расположения корневой системы дерева, можно создать надежную и не наносящую опасных травм дереву, а значит, не создающую лишних рисков для живущих рядом людей систему молниезащиты.

Гроза — что это? Откуда берутся рассекающие все небо молнии и грозные раскаты грома? Гроза — это природное явление. Молнии, называемые могут образовываться внутри туч (кучево-дождевых), либо между и облаками. Они, как правило, сопровождаются громом. Молнии связаны с ливневыми дождями, шквальным ветром, а нередко и с градом.

Активность

Гроза — это одно из опаснейших Люди, пораженные молнией, выживают лишь в единичных случаях.

Одновременно на планете действует примерно 1500 гроз. Интенсивность разрядов оценивают в сотню молний в секунду.

Распределение гроз на Земле неравномерное. К примеру, над континентами их в 10 раз больше, чем над океаном. Большая часть (78%) молниевых разрядов сосредоточена в экваториальной и тропической зонах. Особенно часто фиксируется гроза в Центральной Африке. А вот полярные районы (Антарктика, Арктика) и полюсы молний практически не видят. Интенсивность грозы, оказывается, связана с небесным светилом. В средних широтах пик ее приходится на послеполуденные (дневные) часы, на лето. А вот минимум зарегистрирован перед восходом. Важны и географические особенности. Наиболее мощные грозовые центры находятся в Кордильерах и Гималаях (горные районы). Различно годовое количество «грозовых дней» и в России. В Мурманске, например, их всего лишь четыре, в Архангельске — пятнадцать, Калининграде — восемнадцать, Питере — 16, в Москве — 24, Брянске — 28, Воронеже — 26, Ростове — 31, Сочи — 50, Самаре — 25, Казани и Екатеринбурге — 28, Уфе — 31, Новосибирске — 20, Барнауле — 32, Чите — 27, Иркутске и Якутске — 12, Благовещенске — 28, Владивостоке — 13, Хабаровске — 25, Южно-Сахалинске — 7, Петропавловске-Камчатском — 1.

Развитие грозы

Как оно проходит? образуется только при определенных условиях. Обязательно наличие восходящих потоков влаги, при этом должно быть наличие структуры, где одна доля частиц находится в ледяном состоянии, другая — в жидком. Конвекция, которая приведет к развитию грозы, возникнет в нескольких случаях.

Неравномерное нагревание приземных слоев. К примеру, над водой при существенной разнице температур. Над большими городами грозовая интенсивность будет несколько сильнее, чем в окрестностях.

При вытеснении холодным воздухом теплого. Фронтальная конвенция часто развивается одновременно с обложными и слоисто-дождевыми тучами (облаками).

При подъемах воздуха в горных массивах. Даже малые возвышенности могут привести к усилению образований облаков. Это вынужденная конвекция.

Любое грозовое облако, независимо от его типа, обязательно проходит три стадии: кучевую, зрелости, стадию распада.

Классификация

Грозы какое-то время классифицировались только в месте наблюдения. Они разделялись, например, на орфографические, локальные, фронтальные. Сейчас грозы классифицируют по характеристикам, зависящим от тех метеорологических окружений, в которых они развиваются. формируются из-за неустойчивости атмосферы. Для создания грозовых облаков это является основным условием. Очень важны характеристики таких потоков. В зависимости от их мощности и величины формируются, соответственно, различные типы грозовых облаков. Как они подразделяются?

1. Кучево-дождевые одноячейковые, (локальные или внутримассовые). Имеют градовую или грозовую активность. Поперечные размеры от 5 до 20 км, вертикальные — от 8 до 12 км. «Живет» такое облако до часа. После грозы погода практически не меняется.

2. Многоячейковые кластерные. Здесь масштабы более внушительны — до 1000 км. Многоячейковый кластер охватывает группу грозовых ячеек, находящихся на различных стадиях формирования и развития и в то же время составляющих одно целое. Как они устроены? Зрелые грозовые ячейки располагаются в центре, распадающиеся — с Поперечные их размеры могут достигать 40 км. Кластерные многоячейковые грозы «дают» порывы ветра (шквальные, но не сильные), ливень, град. Существование одной зрелой ячейки ограничивается получасом, а вот сам кластер может «жить» несколько часов.

3. Линии шквалов. Это также многоячейковые грозы. Их называют еще линейными. Они могут быть как сплошными, так и с брешами. Порывы ветра здесь более продолжительны (на переднем фронте). Многоячейковая линия при приближении кажется темной стеной облаков. Число потоков (как восходящих, так и нисходящих) здесь довольно велико. Именно поэтому такой комплекс гроз классифицируется, как многоячеечный, хотя грозовая структура иная. Линия шквала способна дать интенсивный ливень и крупный град, однако чаще «ограничивается» сильными снисходящими потоками. Зачастую она проходит перед холодным фронтом. На снимках такая система имеет форму изогнутого лука.

4. Суперячейковые грозы. Встречаются такие грозы редко. Они особенно опасны для имущества и жизни человека. Облако этой системы схоже с одноячейковым, поскольку оба отличаются одной зоной восходящего потока. Зато размеры у них разные. Суперячейковое облако - огромно — близко 50 км в радиусе, высота — до 15 км. Границы его могут находиться в стратосфере. Форма напоминает единую полукруглую наковальню. Скорость восходящих потоков гораздо выше (до 60 м/с). Характерная особенность — наличие вращения. Именно оно создает опасные, экстремальные явления (крупный град (боле 5 см), разрушительные смерчи). Основным фактором для образования такого облака являются окружающие условия. Речь идет об очень сильной конвенции с температурой от +27 и ветре с переменным направлением. Такие условия возникают при сдвигах ветра в тропосфере. Образующиеся в восходящих потоках, осадки переносятся в зону нисходящих, что обеспечивает длительную жизнь облаку. Осадки распределяются неравномерно. Ливни идут близ восходящего потока, а град — ближе к северо-востоку. Задняя часть грозы может сместиться. Тогда наиболее опасной зоной будет рядом с основным восходящим потоком.

Существует еще понятие "сухая гроза". Это явление довольно редкое, характерное для муссонов. При такой грозе отсутствуют осадки (просто не долетают, испаряясь в результате воздействия высокой температуры).

Скорость передвижения

У изолированной грозы она составляет примерно 20 км/ч, иногда быстрее. Если холодные фронты активны, скорость может составлять 80 км/ч. У многих гроз старые грозовые ячейки заменяются новыми. Каждая из них проходит относительно небольшой путь (порядка двух километров), однако в совокупности расстояние увеличивается.

Механизм электризации

Откуда берутся сами молнии? вокруг облаков и внутри них постоянно движутся. Процесс этот довольно сложен. Проще всего представить картину работы электрических зарядов в зрелых облаках. Доминирует в них дипольная положительная структура. Как она распределяется? Положительный заряд размещается вверху, а отрицательный — под ним, внутри облака. Согласно основной гипотезы (эту область науки можно пока считать малоизведанной), более тяжелые и крупные частички заряжаются отрицательно, а мелкие и легкие имеют положительный заряд. Первые падают быстрее, чем вторые. Это становится причиной пространственного разделения объемных зарядов. Такой механизм подтверждается лабораторными экспериментами. Обладать сильной передачей заряда могут частички ледяной крупы или града. Величина и знак будут зависеть от водности облака, температуры воздуха (окружающего), скорости столкновения (основные факторы). Не исключается воздействие других механизмов. Разряды происходят между землей и облаком (или нейтральной атмосферой, или ионосферой). Именно в этот момент мы наблюдаем рассекающие небо вспышки. Или молнии. Процесс этот сопровождается громкими раскатами (громом).

Гроза — это сложный процесс. На его изучение могут уйти долгие десятилетия, а возможно, даже столетия.

Ввиду совершенной непредсказуемости и огромной мощности молний (грозовых разрядов), они представляют потенциальную опасность для многочисленных энергообъектов. Современная наука накопила большой объём теоретической информации и практических данных о грозозащите и грозовой деятельности, и это позволяет решать серьезные задачи, связанные с молниезащитой промышленной и гражданской энергетической инфраструктуры. В данной статье рассматривается физическая природа грозовых явлений и поведение молний, знание которых будет полезно для обустройства эффективной грозозащиты и создания комплексной системы заземления электрических подстанций.

Природа молнии и грозовые облака

В тёплый сезон в средних широтах во время движения циклона, при достаточной влажности и сильных восходящих потоках воздуха, часто происходят грозовые разряды (молнии). Причина этого явления природы заключается в огромной концентрации атмосферного электричества (заряженных частиц) в грозовых облаках, в которых при присутствии восходящих потоков, происходит разделение отрицательных и положительных зарядов с накоплением заряженных частиц в различных частях тучи. Сегодня существует несколько теорий, касающихся атмосферного электричества и электризации грозовых облаков, как важнейших факторов, оказывающих непосредственное влияние на проектирование и создание комплексной грозозащиты и заземления энергообъектов.

По современным представлениям образование заряженных частиц в облаках связано с наличием у Земли электрического поля, имеющего отрицательный заряд. Вблизи поверхности планеты напряжённость электрического поля равняется 100 В/м. Эта величина практически везде одинакова, не имеет зависимости от времени и места проведения измерений. Электрическое поле Земли обусловлено наличием в атмосферном воздухе свободных заряженных частиц, которые находятся в постоянном движении.

Например, в 1 см3 воздуха насчитывается более 600 положительно заряженных частиц и такое же количество отрицательно заряженных частиц. При удалении от земной поверхности в воздухе резко возрастает плотность частиц, имеющих заряд. Вблизи от земли электрическая проводимость воздуха ничтожно мала, но уже на высотах более 80 км электропроводимость возрастает в 3 000 000 000 (!) раз и становится равной проводимости пресной воды. Если провести аналогии, то в первом приближении нашу планету можно сравнить с огромным конденсатором в форме шара.

При этом в качестве обкладок принимается поверхность Земли и воздушный слой, сосредоточенный на высоте восьмидесяти километров над земной поверхностью. В качестве изолятора выступает часть атмосферы толщиной 80 км, которая обладает низкой электропроводностью. Между обкладками виртуального конденсатора возникает напряжение до 200 кВ, а сила тока может составить до 1 400 А. Подобный конденсатор обладает невероятной мощностью – порядка 300 000 кВт (!). В электрическом поле планеты, на высоте между 1 и 8 километрами от уровня земной поверхности, конденсируются заряженные частицы и возникают грозовые явления, которые ухудшают электромагнитную обстановку и являются источником импульсных помех в энергетических системах.

Грозовые явления классифицируют на фронтальные и тепловые грозы. На Рис. 1 показана схема появления тепловой грозы. В результате интенсивного облучения солнечными лучами разогревается земная поверхность. Часть тепловой энергии переходит в атмосферу и нагревает её нижние слои. Тёплые воздушные массы расширяются и поднимаются выше. Уже на высоте двух километров они достигают области пониженных температур, где происходит конденсация влаги и возникают грозовые облака. Эти облака состоят из микроскопических капель воды, несущих на себе заряд. Как правило, грозовые облака образуются в жаркие летние дни в послеобеденное время и обладают сравнительно небольшими размерами.

Фронтальные грозы образуются при условиях, когда сталкиваются фронтальными частями два воздушных потока с разной температурой. Поток воздуха с пониженной температурой опускается вниз, ближе к земле, а теплые воздушные массы устремляются ввысь (Рис. 2). Грозовые облака формируются на высотах с пониженной температурой, где происходит конденсация влажного воздуха. Фронтальные грозы могут имет довольно большую протяженность и охватывать значительную площадь.

При этом фоновая электромагнитная обстановка заметно искажается, наводя импульсные помехи в электрических сетях. Такие фронта движутся со скоростью от 5 до 150 км/час и выше. В отличие от тепловых, фронтальные грозы активны практически круглосуточно и представляют серьезную опасность для промышленных объектов, которые не оснащены системой молниезащиты и эффективным заземлением. При конденсации в электрическом поле холодного воздуха образуются поляризованные водяные капли (Рис. 3): в нижней части капель находится положительный заряд, в верхней - отрицательный.

За счет восходящих потоков воздуха происходит разделение водяных капель: более мелкие поднимаются вверх, а крупные падают ниже. При движении капли вверх отрицательно заряженная часть капли притягивает положительные заряды и отталкивает отрицательные. В итоге, капля становится положительно заряженной т.к. постепенно собирает положительный заряд. Капли, которые падают вниз, притягивают к себе отрицательные заряды и в процессе падения оказываются отрицательно заряженными.

Аналогично происходит деление заряженных частиц в грозовом облаке: в верхнем слое накапливаются положительно заряженные частицы, в нижнем – с отрицательно заряженные. Грозовое облако практически не является проводником, и по этой причине в течение некоторого времени заряды сохраняются. Если более сильное электрическое поле облака будет оказывать действие на электрическое поле "ясной погоды" ,то оно изменит своё направление в месте расположения (рис. 4).

Распределение заряженных частиц в облачной массе крайне неравномерно:
в отдельных точках плотность имеет максимальное значение, а в других – небольшую величину. В месте скопления большого количества зарядов и образуется сильное электрическое поле с критической напряжённостью порядка 25-30 кВ/см, возникают подходящие условия для образования молний. Грозовой разряд молнии подобен искре, наблюдаемой в промежутке между электродами, хорошо проводящими электричество.

Ионизация атмосферного воздуха

Атмосферный воздух состоит из смеси газов: азота, кислорода, инертных газов и водяных паров. Атомы этих газов объединяются в прочные и устойчивые связи, образуя молекулы. Каждый атом – это ядро из протонов, имеющее положительный заряд. Вокруг ядра вращаются электроны, обладающие отрицательным зарядом («электронное облако»).

В количественном соотношении заряд ядра и суммарный заряд электронов равны друг другу. При ионизации электроны покидают атом (молекулу). В процессе атмосферной ионизации образуются 2 заряженные частицы: положительный ион (ядро с электронами) и отрицательный ион (свободный электрон). Как и многие физические явления, ионизация требует некоторого количества энергии, называемой энергией ионизации воздуха.

Когда в воздушном слое, образованном 2 проводящими электродами, возникнет достаточное напряжение, то все свободные заряженные частицы под влиянием напряженности электрического поля начнут упорядоченное движение. Масса электрона многократно (в 10 000 ... 100 000 раз) меньше массы ядра. Вследствие этого при движении свободного электрона в электрическом поле воздушного слоя, скорость этой заряженной частицы гораздо больше скорости ядра. Обладая значительным импульсом, электрон легко отрывает от молекул новые электроны, тем самым делая ионизацию более интенсивной. Данное явление носит название ударной ионизации (Рис. 5).

Однако не при каждом столкновении происходит отрыв электрона от молекулы. В некоторых случаях электроны переходят на неустойчивые орбиты, удалённые от ядра. Такие электроны получают часть энергии от столкнувшегося электрона, что приводит к возбуждению молекулы (Рис. 6.).

Период «жизни» возбужденной молекулы составляет всего 10-10 секунды, после чего электрон возвращается на прежнюю, более устойчивую в энергетическом плане орбиту.

Когда электрон возвращается на стабильную орбиту возбужденная молекула излучает фотон. Фотон, в свою очередь, при определенных условиях может ионизировать другие молекулы. Этот процесс был назван фотоионизацией (Рис. 7). Также имеются другие источники фотоионизации: космические лучи высокой энергии, ультрафиолетовые световые волны, радиоактивное излучение и др. (Рис. 8).

Как правило, ионизация молекул воздуха происходит при высоких температурах. При повышении температуры молекулы воздуха и свободные электроны, участвующие в тепловом (хаотическом) движении, приобретают более высокую энергию и чаще сталкиваются друг с другом. Результатом подобных столкновений является ионизация воздуха, называемая термоионизацией. Однако могут происходить и обратные процессы, когда заряженные частицы нейтрализуют собственные заряды (рекомбинация). В процессе рекомбинации отмечается интенсивное излучение фотонов.

Образование стримеров и коронного разряда

Когда в воздушном промежутке между заряженными пластинами напряжённость электрического поля увеличивается до критических величин, возможно развитие ударной ионизации, которая является частой причиной импульсных высокочастотных помех. Её суть заключается в следующем: после ионизации электроном одной молекулы возникают два свободных электрона и один положительный ион. Последующие столкновения приводят к появлению 4-х свободных электронов и 3-х ионов с положительным зарядом.

Таким образом, ионизация принимает лавинообразный характер, что сопровождается образованием огромного количества свободных электронов и положительных ионов (Рис. 9 и 10). Положительные ионы накапливаются около отрицательного электрода, а отрицательно заряженные электроны перемещаются к положительному электроду.

В процессе ионизации свободные электроны приобретают большую подвижность по сравнению с ионами, поэтому последние можно условно считать неподвижными частицами. При переходе электронов к положительному электроду, оставшиеся положительные заряды оказывают сильное влияние на состояние электрического поля, тем самым приводя к росту его напряжённости. Большое количество фотонов ускоряет ионизацию воздуха около анода и способствует возникновению вторичных электронов (Рис.11), которые являются источниками повторных лавин (Рис.12).

Возникшие вторичные лавины движутся к аноду, где сконцентрирован положительный заряд. Свободные электроны прорываются сквозь положительный объемный заряд, приводя к образованию довольно узкого канала (стримера), в котором находится плазма. За счёт отличной проводимости стример «удлиняет» анод, при этом процесс образования лавин свободных электронов ускоряется и происходит дальнейший рост напряженности электрического поля (Рис. 13 и 14), движущихся по направлению к головной части стримера. Дополнительные электроны перемешиваются с положительными ионами, вновь приводя к образованию плазмы, благодаря которой удлиняется канал стримера.

Рис. 13. Рост напряженности электрического поля сопровождается усилением фотоионизации и порождает новые лавины заряженных частиц

После заполнения стримером свободного промежутка, начинается искровая стадия разряда (Рис. 15), характеризующаяся сверхмощной термоионизацией пространства и ультрапроводимостью плазменного канала.

Описанный процесс образования стримера справедлив для небольших промежутков, характеризующихся однородным электрическим полем. Однако по своей форме все электрические поля разделяются на однородные, слабонеоднородные и резконеоднородные:

В пределах однородного электрического поля напряженность вдоль силовых линий характеризуется постоянной величиной. Как например, электрическое поле в средней части плоского конденсатора типа.
В слабонеоднородном поле значения напряженности, измеренные вдоль силовых линий, отличаются не более чем 2 ...3 раза, подобное поле принято считать слабонеоднородным. Например, электрическое поле между 2-мя разрядниками шаровидной формы или электрическое поле, возникающее между оболочкой кабеля экранированного и его жилой.
Электрическое поле называется резконеоднородным, если оно характеризуется значительным скачками напряженности, что приводит к серьёзному ухудшению электромагнитной обстановки. В промышленных электроустановках, как правило, электрические поля имеют резконеоднородную форму, что требует проверки устройств на электромагнитную совместимость.

В резконеоднородном поле ионизационные процессы собираются рядом с положительным или отрицательным электродом. Поэтому разряд не может достичь искровой стадии и в этом случае заряд формируется в виде короны ("коронный разряд"). При дальнейшем увеличении напряжённости электрического поля в воздушном промежутке формируются стримеры и возникает искровой разряд. Так, если длина промежутка составляет один метр, то искровый разряд возникает при напряженности поля, составляющей около 10 кВ/см.

Лидерная форма грозового разряда

При размерах воздушного промежутка, составляющих несколько метров, формирующиеся стримеры не имеют достаточной проводимости для развития полноценного разряда. По ходу движения стримера образуется грозовой разряд, принимающий лидерную форму. Часть канала, называемая лидером, заполняется термически ионизированными частицами. В канале лидера конценрируется значительное количество заряженных частиц, плотность которых гораздо выше, среднего по стримеру. Это свойство обеспечивает хорошие условия для формирования стримера и преобразования его в лидер.

Рис. 16. Процесс движения стримера и возникновения отрицательного лидера (AB – начальная лавина; CD – образовавшийся стример).

На Рис. 16 продемонстрирована классическая схема возникновения отрицательного лидера. Поток свободных электронов движется от катода к аноду. Заштрихованными конусами показаны образовавшиеся лавины электронов, а в виде волнистых линий показаны траектории излученных фотонов. В каждой лавине при соударениях электронов воздух ионизируется, при этом образующиеся фотоны в дальнейшем ионизируют другие молекулы воздуха. Ионизация принимает массовый характер и многочисленные лавины сливаются в один канал. Скорость фотонов - 3*108 м/с, а скорость свободно движущихся электронов во фронтальной части лавины равняется 1,5*105 м/с.

Развитие стримера происходит быстрее, чем продвижение лавины из электронов. На Рис. 16 показано, что за время прохождения первой лавиной расстояния AB, на отрезке CD формируется канал стримера с ультрапроводимостью по всей длине. Стандартный стример движется со средней скоростью 106-107 м/с. Если свободные электроны имеют достаточно высокую концентрацию, в канале стримера возникает интенсивная термическая ионизация, которая приводит к появлению лидера – линейной структуры с плазменной составляющей.

В процессе движения лидера в его концевой части образуются новые стримеры, которые в дальнейшем тоже переходят в лидер. На Рис. 17 представлено развитие отрицательного лидера в воздушном промежутке с неоднородным электрическим полем: лидер движется по каналу стримера (Рис. 17а); после того, как завершается превращение канала стримера в лидер, возникают новые лавины.

Рис. 17. Схема образования и развития отрицательного лидера на протяжённом промежутке.

Электронные лавины передвигаются по всему воздушному промежутку (Рис. 17б) и образуется новый стример (Рис. 17в). Как правило, стримеры движутся по случайным траекториям. При таком формировании молниевого разряда в протяженных воздушных промежутках даже при небольших напряжённостях электрического поля (от 1 000 до 2 000 В/см) лидер быстро проходит значительные расстояния.

При достижении лидером противоположного электрода, завершается лидерная стадия грозового разряда и берёт начало стадия обратного (главного) разряда. При этом от поверхности земли по каналу лидера распространяется электромагнитная волна, благодаря которой потенциал лидера снижается до нулевого значения. Таким образом, между электродами формируется сверхпроводящий канал, через который проходит грозовой разряд.

Стадии развития грозового разряда

Условия для возникновения молнии образуются в той части грозового облака, где скопление заряженных частиц и напряжённость электрического поля достигли пороговых значений. В этой точке развивается ударная ионизация и образуются лавины электронов, затем под влиянием фото- и термоионизации возникают стримеры, превращающиеся в лидеры.

а – визуальное отображение; б – токовая характеристика.

Протяженность молнии составляет от сотни метров и может доходить до нескольких километров (средняя длина грозового разряда – 5 км). Благодаря лидерному типу развития молния способна проходить значительные расстояния в течение доли секунды. Человеческий глаз видит молнию в виде непрерывной линии, состоящей из одной или нескольких ярких полос белого, светло-розового или ярко-голубого цвета. По факту, грозовой разряд – это несколько импульсов, включающихет две стадии: лидерную и стадию обратного разряда.

На Рис. 18 показана развертка грозовых импульсов по времени, на которой виден развивающийся в форме ступеней разряд лидерной стадии первого импульса. В среднем, линия ступени равняется пятидесяти метрам, а задержка между соседними ступенями доходит до 30-90 мкс. Средняя скорость распространения лидера составляет 105...106 м/с.

Ступенчатая форма развития лидера объясняется тем, что для образования ведущего стримера требуется некоторое время (пауза между ступенями). Последующие импульсы движутся по ионизированному каналу и обладают ярко-выраженной стреловидной формой лидерной стадии. После достижения лидером 1-го импульса поверхности земли возникает ионизированный канал, по которому движется заряд. В этот момент начинается 2-я стадии грозового разряда (обратный разряд).

Главный разряд виден в форме непрерывной яркосветящейся линии, пронзающей пространство между грозовыми облаками и землей (линейная молния). После достижения главным разрядом облака, уменьшается свечение плазменного канала. Данная фаза получила название послесвечение. В одном грозовом разряде отмечается до двадцати повторных импульсов, а продолжительность самого разряда доходит до 1 и более секунды.

В четырёх из десяти случаев наблюдается многократный грозовой разряд, являющийся причиной импульсных помех в энергетических сетях. В среднем отмечается 3...4 импульса. Природа повторных импульсов связана с постепенным притоком оставшихся зарядов в грозовом облаке к плазменному каналу.

Избирательное действие грозового разряда

Когда лидерный канал только начинает развиваться напряженность электрического поля в его головной части определяется объёмом заряда лидера и скоплениями объемных заряженных частиц, находящихся под грозовым облаком. Приоритетное направление разряда зависит от максимальных напряженностей электрического поля. На значительной высоте данное направление определяется только каналом лидера (рис. 19).

При движении лидерного канала грозового разряда в сторону земной поверхности его электрическое поле искажается полем земли и массивных наземных энергообъектов. Максимальные значения напряженности и направление распространения лидера молнии определяются как его собственными зарядами, так и зарядами, сконцентрированными на земле, а также на искусственных сооружениях (Рис. 20).

Высота Н головки лидера над земной поверхностью, на которой проявляется существенное влияние на электрическое поле лидера полей зарядов, накопившихся в значительном количестве на земле и на энергообъектах, способное изменить направление движения лидера, называется высотой ориентирования грозового разряда.
Чем больше электрических зарядов находится в канале лидера, тем на большей высоте может проявиться изменение траектории движения молнии.

На Рис.21 представлено движение главного разряда от земной поверхности к грозовому облаку и распространение лидера по направлению к земле (ровная поверхность).

При движении грозового разряда в сторону высотного наземного сооружения (опора ЛЭП или вышка) навстречу лидерному разряду, распространяющемуся из грозового облака к поверхности земли, от наземной опоры развивается встречной лидер (Рис. 22.). При этом главный разряд возникает в точке соединения лидеров и движется в обоих направлениях.

Рис. 22. Развитие лидерной стадии (верх) и стадии главного разряда (низ) при ударе грозового разряда в металлическую опору

Процесс формирования молнии показывает, что конкретное место попадания грозового разряда определяется на лидерной стадии. Если прямо под грозовым облаком будет находиться высотное наземное сооружение (например, телевизионная башня или опора линии электропередач), то формирующийся лидер будет двигаться по направлению к земле по самому короткому пути, то есть навстречу лидеру, которые распространяется вверх от наземного сооружения.

Исходя из практического опыта, можно заключить, что чаще всего молния попадает в те энергообъекты, которые имеют эффективное заземление и хорошо проводят электричество. При равной высоте, грозовой разряд ударяет в тот объект, который имеет более качественное заземление и высокую электрическую проводимость. При различной высоте энергообъектов и если грунт рядом с ними также имеет различное удельное сопротивление, возможно попадание молнии в более низкий объект, расположенный на грунте с лучшей проводимостью (рис. 23).

Рис. 23. Избирательная поражаемость грозовых разрядов: грунт с высокой электропроводимостью (а); грунт с пониженной проводимостью (б).

Данный факт можно объяснить тем, что в процессе развития лидерной стадии токи проводимости протекают по пути с повышенной проводимостью, поэтому на отдельных участках происходит концентрация зарядов, имеющих отношение к лидеру. В результате этого усиливается влияние электрического поля зарядов на земной поверхности на электрическое поле формирующегося лидера. Таким образом объясняется избирательность молний. Как правило, чаще всего поражаются участки грунта и наземные искусственные сооружения с высокой проводимостью. На практике установлено, что на высоковольтных ЛЭП грозовые разряды поражают не более трети опор, расположенных в строго определённых места.

Теория избирательной поражаемости грозовыми разрядами земных объектов нашла практическое подтверждение при обустройстве грозозащиты и заземления энергообъектов электрических подстанций. Те участки, которые отличаются низкой проводимостью, гораздо реже подвергались ударам молний. На рис. 24 представлено электрическое поле между землей и грозовым облаком до удара молнии.

При постепенном изменении напряженности электрического поля грозового облака проводимость грунта обеспечивает баланс количества зарядов при изменении электрического поля облака. При разряде молнии происходит настолько быстрое изменение напряженности поля, что по причине низкой проводимости грунта не успевает произойти перераспределение зарядов. Сосредоточение зарядов в отдельных местах ведет к увеличению напряженности электрического поля между характерными местами и грозовым облаком (Рис. 25), поэтому разряд молнии избирательно ударяет в эти места.

Это наглядно подтверждает теорию избирательности грозового разряда, согласно которой при схожих условиях молнии всегда попадают в те места, где имеется повышенная электропроводимость почвы.

Главные параметры молнии

Для характеристики грозовых токов используются следующие параметры:

Максимальная величина импульса тока молнии.
Степень крутизны фронта грозового тока.
Продолжительность фронта импульса тока.
Длительность полного импульса.

Продолжительность импульса тока молнии – это время, необходимое для прохождения обратным разрядом дистанции между землей грозовым облаком (20...100 мкс). Фронт импульса тока молнии при этом находится в диапазоне от 1,5 до 10 мкс.

Средняя продолжительности импульса тока грозового разряда имеет величину, равную 50 мкс. Данное значение является стандартной величиной импульса тока молнии при проведении испытаний электрической прочности экранированных кабелей: они должны выдерживать прямые удары молнии и сохранять целостность изоляции. Для проведения испытаний прочности изоляции при воздействии грозовыми импульсами напряжения (испытания регламентированы ГОСТ 1516.2-76) принят стандартный импульс грозовых токов напряжения, продемонстрированный на Рис. 26 (для удобства проведения расчетов фактический фронт приведён к эквивалентному косоугольному).

На вертикальной оси развёртки импульсного перенапряжения на уровне равном 0,3 Umax и 0,9 Umax размечаются контрольные точки, соединяемые прямой линией. Пересечение данной прямой с временной осью и с горизонтальной прямой, касающейся Umax, позволяет определить продолжительность импульса Тф. Стандартный грозовой импульс имеет значение 1,2/50: где Тф=1,2 мкс, Ти=50 мкс (полная длительность импульса).

Ещё одна важная характеристика грозового импульса – это скорость нарастания тока напряжения на фронте импульса (крутизна фронта, А*мкс). В таблице 1 показаны основные параметры грозовых разрядов для равнинной местности. В горах отмечается уменьшение амплитуды колебаний токов молнии (почти в два раза) в сравнении со значениями для равнин. Это объясняется тем, что горы ближе до облаков, поэтому в горной местности молнии возникают при гораздо меньшей плотности заряженных частиц в грозовых облаках, что приводит к уменьшению амплитудных значений токов молнии.

Согласно данным таблицы при попадании молнии в опоры высоковольтных ЛЭП образуются огромные токи – более 200 кА. Однако подобные грозовые разряды, вызывающие значительные токи, отмечаются крайне редко: токи свыше 100 кА возникают не более чем в 2 % случаев от общего количества грозовых разрядов, а токи более 150 кА менее чем 0,5 % случаев. Вероятностное распределение амплитудных значений токов молнии в зависимости от амплитудных значений токов показано Рис. 27. Около 40 % всех грозовых разрядов имеют токи, которые не превышают 20 кА.

Рис. 28. Кривые вероятностного распределения (в %) крутизны фронта импульса грозового тока. Кривая 1 – для равнинных местностей; кривая 2 – для горных условий.

От фактической крутизны фронта импульсного тока грозового разряда зависит уровень импульсных помех и перенапряжений, появляющихся на энергообъектах. Степень крутизны варьирует в широком диапазоне и имеет слабую корреляцию с амплитудными значениями грозовых токов. На рис. 28 показано картина вероятностного распределения уровня крутизны фронтального импульса тока молнии на равнине (кривая 1) и в горах (кривая 2).

Воздействие токов грозового разряда

Во время прохождения токов молнии через различные объекты последние подвергаются механическим, электромагнитным и тепловым воздействиям.
Значительное тепловыделение способно разрушить металлические проводники небольших сечений (например, плавкие вставки предохранителей или телеграфные провода). Для определения критического значения тока молнии Iм (кА), при котором происходит плавление или даже испарение проводника, используются следующая формула

k – удельный коэффициент, зависящий от материала проводника (медь 300...330, алюминий 200 ...230, сталь 115...440).
Q – поперечное сечение проводника, мм2;
tm – продолжительность импульса тока молнии, мкс.

Наименьшее сечение проводника (молниеотвода), гарантирующее его сохранность при разряде молнии в энергообъект, составляет 28 мм2. При максимальных значениях тока стальной проводник аналогичного сечения за считанные микросекунды нагревается до сотен градусов, однако сохраняет свою целостность. При воздействии канала молнии на металлические детали они могут оплавиться на глубину до 3-4 мм. Обрывы отдельных проволок у тросов грозозащиты на ЛЭП часто происходят от пережога грозовым разрядом в точках касания канала молнии и троса.

По этой причине стальные молниеотводы имеют значительные сечения: тросы грозозащиты должны быть в сечении не менее 35 мм2, а стержневые молниеотводы не меньше 100 мм2. При воздействии канала молнии на горючие и легковоспламенимые материалы (дерево, солома, горюче-смазочные материалы, газообразное топливо и др.) могут возникать взрывы и пожары. Механическое воздействие тока грозовых разрядов находит своё проявление в разрушении деревянных, кирпичных и каменных конструкций, в которых отсутствует грозозащита и полноценное заземление.

Расщепление деревянных опор ЛЭП объясняется тем, что ток молнии, двигаясь по внутренней структуре древесины, порождает обильное выделение водяного пара, который своим давлением разрывает волокна древесины. В дождливую погоду расщепление древесины меньше, чем в сухую. Так как мокрая древесина характеризуется лучшей проводимостью, поэтому ток молнии проходит в основном по поверхности древесины, не нанося существенного ущерба деревянным конструкциям.

При молниевом разряде из деревянных опор нередко вырываются куски древесины толщиной до трёх и шириной до пяти сантиметров, а в отдельных случаях молния раскалывает пополам стойки и траверсы опор необорудованных заземлением. При этом металлические элементы изоляторов (болты и крючья) вылетают из своих мест и падают на грунт. Однажды удар молнии был такой силы, что огромный тополь высотой порядка 30 м превратился в груду мелких щепок.

Проходя сквозь узкие щели и небольшие отверстия, грозовые разряды, производят значительные разрушения. Например, токи молнии легко деформируют трубчатые разрядники, установленные на ЛЭП. Даже классические диэлектрики (камень и кирпич) подвергаются разрушительному воздействию мощных разрядов. Электростатические силы ударного характера, которые имеются у оставшихся зарядов, легко разрушают толстостенные кирпичные и каменные постройки.

Во время стадии главного разряда молнии рядом с местом её удара в проводниках и металлических конструкциях энергетических объектов возникают импульсные наводки и перенапряжения, которые проходя через заземление энергообъектов, создают высокочастотные импульсные помехи и значительное падение напряжения, достигающее 1 000 и более кВ. Грозовые разряды могут происходить не только между грозовыми облаками и землей, но и между отдельными облаками. Подобные молнии совершенно безопасны для персонала и оборудования энергообъектов. В то же время грозовые разряды доходящие до земли, представляют серьёзную опасность для людей и технических устройств.

Грозовая деятельность на территории РФ

В различных частях нашей страны интенсивность грозовой деятельности имеет существенные отличия. В северных районах отмечается наиболее слабая грозовая активность. При продвижении на юг наблюдается рост грозовой деятельности, которая характеризуется числом дней в году, когда были грозы. Средняя продолжительность гроз за один грозовой день на территории Российской Федерации составляет от 1,5 до 2 часов. Грозовая активность для любой точки РФ устанавливается по специальным метеорологическим картам грозовой деятельности, которые составляются на основании данных многолетних наблюдений метеорологических станций (Рис. 29).

Интересные сведения о молниях:

В тех районах, где грозовая активность составляет 30 часов в год, в среднем на один квадратный километр земной поверхности приходится 1 удар молнии за два года.
Каждую секунду поверхность нашей планеты испытывает свыше ста ударов молний.

Министерство образования Российской Федерации
Казанский Государственный Университет
Факультет географии и экологии
Кафедра метеорологии, климатологии и экологии атмосферы
Грозовая деятельность в П редкамье
Курсовая работа
Студента 3 курса, гр. 259 Химченко Д.В.

Научный руководитель доцент Тудрий В.Д. ________
Казань 2007
Содержание

Введение
1. Грозовая деятельность
1.1. Характеристики гроз
1.2. Гроза, ее влияние на человека и народное хозяйство
1.3. Грозы и солнечная активность
2. Методы получения и обработки исходных данных
2.1. Получение исходного материала
2.2. Основные статистические характеристики
2.3. Статистические характеристики индексов грозовой активности
2.4. Распределение основных статистических характеристик
2.5. Анализ трендов
2.6. Регрессионная зависимость числа дней с грозой от чисел Вольфа
Заключение
Литература
Приложения
Введение

Типичное развитие кучево-дождевых облаков и выпадение из них осадков связанно с мощными проявлениями атмосферного электричества, а именно с многократными электрическими разрядами в облаках или между облаками и Землей. Такие разряды искрового характера называют молниями, а сопровождающие их звуки - громом. Весь процесс, часто сопровождаемый еще и кратковременными усилениями ветра - шквалами, называется грозой.
Грозы причиняют большой урон народному хозяйству. Их исследованиям уделяют большое внимание. Например, в основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1986-1990гг. и на период до 2000 года было предусмотрено проведение крупных мероприятий. Среди них особую значимость приобрели исследования опасных для народного хозяйства явлений погоды и совершенствование методов их прогноза, в том числе гроз и связанных с ними ливней, града и шквалов. В наши дни также уделяется большое внимание проблемам, связанным с грозовой деятельностью и молниезащитой.
Грозовой деятельностью занимались многие ученные нашей и зарубежных стран. Более 200 лет назад Б. Франклином была установлена электрическая природа грозы, более 200 лет назад М.В. Ломоносовым была введена первая теория электрических процессов в грозах. Несмотря на это до сих пор нет удовлетворительной общей теории грозы.
Выбор не случайно пал на эту тему. В последнее время интерес к грозовой деятельности возрастает, что обусловлено многими факторами. Среди них: более углубленное изучение физики грозы, совершенствование прогноза гроз и способов молниезащиты и др.
Целью данной курсовой работы является изучение временных особенностей распределения и регрессионной зависимости грозовой деятельности с числами Вольфа в разные периоды и в разных районах Предкамья.
Задачи курсовой работы
1. Создать банк данных на технических носителях числа дней с грозой с декадной дискретизацией, как основные характеристики грозовой деятельности, и чисел Вольфа, как основной характеристики солнечной активности.
2. Рассчитать основные статистические характеристики грозового режима.
3. Найти уравнение тренда числа дней с грозой.
4. Найти уравнение регрессии для числа дней с грозой в Предкамье и числами Вольфа.
Глава 1.Грозовая деятельность
1.1 Характеристики гроз

Основными характеристикамиёёё гроз являются: число дней с грозой и повторяемость гроз.
Грозы особенно часты над сушей в тропических широтах. Там есть районы, где 100-150 дней и более в году с грозами. На океанах в тропиках гроз гораздо меньше, примерно 10-30 дней в году. Тропические циклоны всегда сопровождаются жестокими грозами, однако сами эти возмущения наблюдаются редко.
В субтропических широтах, где преобладает высокое давление, гроз гораздо меньше: над сушей 20-50 дней с грозами в году, над морем 5-20 дней. В умеренных широтах 10-30 дней с грозами над сушей и 5-10 дней над морем. В полярных широтах грозы - единичное явление.
Убывание числа гроз от низких широт к высоким связанно с убыванием водности облаков с широтой вследствие убывания температуры.
В тропиках и субтропиках грозы чаще всего наблюдаются в дождливый период. В умеренных широтах над сушей наибольшая повторяемость гроз летом, когда сильно развивается конвекция в местных воздушных массах. Зимой грозы в умеренных широтах очень редки. Но над океаном грозы, возникающие в холодных воздушных массах, нагревающихся снизу от теплой воды, имеют максимум повторяемости зимой. На крайнем западе Европы (Британские острова, побережье Норвегии) также часты зимние грозы.
Подсчитано, что на земном шаре одновременно происходит 1800 гроз и возникает приметно 100 молний в каждую секунду. В горах грозы наблюдаются чаще, чем на равнинах.
1.2 Гроза, ее влияние на человека и народное хозяйство

Гроза принадлежит к тем явлениям природы, которые замечает самый ненаблюдательный человек. Ее опасные воздействия широко известны. О ее полезных последствиях знают меньше, хотя они играют существенную роль. В настоящее время проблема прогноза гроз и связанных с ней опасных конвективных явлений представляется наиболее актуальной и одной из труднейших в метеорологии. Главные трудности ее разрешения заключаются в дискретности распределения гроз и сложности взаимосвязи между грозами и многочисленными факторами, влияющими на их формирование. Развитие гроз связанно с развитием конвекции, которая очень изменчива во времени и в пространстве. Прогноз гроз сложен еще и потому, что кроме предсказания синоптической обстановки необходимо спрогнозировать стратификацию и влажность воздуха на высотах, толщину облачного слоя, максимальную скорость восходящего потока. Необходимо знать, как изменяется грозовая активность в результате человеческой деятельности. Влияние грозы на человека, животных, различные виды деятельности; вопросы, связанные с молниезащитой, так же являются актуальными в метеорологии.
Понимание природы грозы существенно не только для метеорологов. Изучение электрических процессов в столь гигантских - по сравнению с масштабами лабораторий - объемах позволяет установить более общие физические закономерности природы высоковольтных разрядов, разрядов в облаках аэрозолей. Тайна шаровых молний может быть раскрыта только при постижении процессов, происходящих в грозах.
По происхождению грозы делятся на внутримассовые и фронтальные.
Внутримассовые грозы наблюдаются двух типов: в холодных воздушных массах, перемещающихся на теплую земную поверхность, и над прогретой сушей летом (местные, или тепловые грозы). В обоих случаях возникновение грозы связанно с мощным развитием облаков конвекции, а следовательно, с сильной неустойчивостью стратификации атмосферы и с сильными вертикальными перемещениями воздуха.
Фронтальные грозы связанны главным образом с холодными фронтами, где теплый воздух вытесняется вверх продвигающимся вперед холодным воздухом. Летом над сушей они нередко связанны и с теплыми фронтами. Континентальный теплый воздух, поднимающийся летом над поверхностью теплого фронта, может оказаться очень неустойчиво стратифицированным, поэтому над поверхностью фронта может возникнуть сильная конвекция.
Известны следующие действия молний: тепловые, механические, химические и электрические.
Температура молнии достигает от 8000 до 33000 градусов Цельсия, поэтому она обладает большим тепловым воздействием на окружающую среду. Только в США, например, молнии вызывают ежегодно около 10000 лесных пожаров. Однако в некоторых случаях эти пожары приносят пользу. Например, в Калифорнии частые пожары издавна очищали леса от поросли: они были незначительны и деревьям не вредны.
Причиной возникновения механических сил при ударе молнии является резкое повышение температуры, давления газов и паров, возникающих в месте прохождения тока молнии. Так, например, при ударе молнии в дерево, древесный сок, после прохождения по нему тока, переходит в состояние газа. Причем этот переход носит взрывной характер, вследствие чего ствол дерева раскалывается.
Химическое действие молнии мало и обусловлено электролизом химических элементов.
Самым опасным для живых существ является электрическое действие, так как вследствие этого действия удар молнии может привести к гибели живого существа. При ударе молнии в незащищенные или плохо защищенные здания или оборудование она приводит к гибели людей или животных в результате возникновения высокого напряжения в отдельных предметах, для этого человеку или животному достаточно коснуться их или находиться рядом с ними. Молния поражает человека даже при небольших грозах, причем каждый прямой ее удар для него обычно смертелен. После непрямого удара молнии человек обычно не погибает, но и в этом случае для сохранения его жизни необходима своевременная помощь.
Лесные пожары, поврежденные линии электропередачи и связи, пораженные самолеты и космические аппараты, горящие нефтехранилища, загубленные градом сельскохозяйственные посадки, сорванные штормовым ветром крыши, погибшие от удара молний люди и животные - это далеко не полный список последствий, связанных с грозовой ситуацией.
Ущерб, причиненный молниями только за один год по всему земному шару, оценивается миллионами долларов. В связи с этим ведутся разработки новых, более совершенных способов молниезащиты и более точного прогноза гроз, что, в свою очередь, обусловливает более глубокое изучение грозовых процессов.
1.3 Грозы и солнечная активность

Изучением солнечно-земных связей ученые занимаются давно. Они логически пришли к выводу, что недостаточно рассматривать Солнце только как источник лучистой энергии. Энергия Солнца - основной источник большинства физико-химических явлений в атмосфере, гидросфере и поверхностном слое литосферы. Естественно резкие колебания в количестве этой энергии влияют на указанные явления.
Систематизацией даннях о солнечной активности занимался цюрихский астроном Р.Вольф (R. Wolf, 1816-1893 г.г.). Он определил, что, в среднем арифметическом, период максимального и минимального количества пятен - максимумы и минимумы солнцедеятельности равен одинадцати годам.
Нарастание пятнообразовательного процесса от точки минимума до максимума происходит скачками с резкими подъемами и падениями, сдвигами и перебоями. Скачки постоянно растут и в момент максимума достигают своих наивысших значений. Эти скачки в появлении и исчезновении пятен, по-видимому, и являются виновниками многих эффектов, которые развиваются на Земле.
Наиболее показательной характеристикой интенсивности активности Солнца, предложенной Рудольфом Вольфом в 1849 году, являются числа Вольфа или, так называемые, цюрихские числа солнечных пятен. Вычисляется по формуле W=k*(f+10g), где f - количество наблюдаемых на диске Солнца пятен, g - количество образованных ими групп, k - нормировочный коэффициент, выводимый для каждого наблюдателя и телескопа, чтобы иметь возможность совместно использовать найденные ими относительные числа Вольфа. При подсчете f каждое ядро ("тень"), отделенное от соседнего ядра полутенью, а также каждая пора (маленькое пятно без полутени) считаются за пятна. При подсчете g отдельное пятно и даже отдельная пора считаются за группу.
Из этой формулы видно, что индекс Вольфа, есть суммарный индекс, дающий общую характеристику пятнообразовательной деятельности Солнца. Он непосредственно не учитывает качественную сторону солнечной активности, т.е. мощность пятен и их устойчивость во времени.
Абсолютное число Вольфа, т.е. подсчитанное конкретным наблюдателем, определяется суммой произведения числа десять на общее число групп солнечных пятен, при этом каждое отдельное пятно считается за группу, и полного количества, как одиночных, так и входящих в группы пятен. Относительное число Вольфа определяется путем умножения абсолютного числа Вольфа на нормировочный коэффициент, который определяется для каждого наблюдателя и его телескопа.
Восстановленная по историческим источникам, начиная с середины XVI века, когда начались подсчеты количества солнечных пятен, информация позволила получить усредненные за каждый прошедший месяц числа Вольфа. Это дало возможность определить характеристики циклов солнечной активности начиная с того времени и вплоть до наших дней.
Периодическая деятельность Солнца оказывает весьма заметное влияние на число и, по-видимому, на интенсивность гроз. Последние представляют собою видимые электрические разряды в атмосфере, сопровождающиеся обычно громом. Молния соответствует искровому разряду электростатической машины. Образование грозы связано с конденсацией водяных. паров в атмосфере. Всплывающие вверх массы воздуха адиабатически охлаждаются, и это охлаждение происходит часто до температуры ниже точки насыщения. Поэтому конденсация паров может наступить внезапно, образуются капли, создавая облако. С другой стороны, для конденсации паров необходимо присутствие в атмосфере ядер или центров конденсации, которыми, прежде всего, могут служить частички пыли.
Мы видели выше, что количество пыли в верхних слоях воздуха отчасти может быть обусловлено степенью напряжения пятнообразовательного процесса на Солнце. Кроме того, в периоды прохождения пятен по диску Солнца количество ультрафиолетового излучения Солнца также возрастает. Это излучение ионизирует воздух, и ионы становятся также ядрами конденсации.
Затем следуют электрические процессы в водяных каплях, которые приобретают электрический заряд. Одною из причин, обусловливающих эти заряды, является адсорбция водяными каплями легких ионов воздуха. Однако значение этой адсорбции второстепенное и очень незначительное. Замечено также, что отдельные капли под влиянием сильного электрического поля сливаются в струю. Следовательно, колебания в напряженности поля и перемена его знака могут оказать на капли известное влияние. Вероятно, таким путем образуются сильно заряженные капли во время грозы. Сильное электрическое поле способствует каплям также заряжаться электричеством.
Вопрос о периодичности гроз был поднят в западной литературе еще в 80-х годах прошлого века. Многие исследователи посвятили свои труды выяснению этого вопроса, как например Зенгер(Zenger), Красснер (Krassner), Бецольд (Bezold), Риддер (Ridder) и др. Так, Бецольд указывал на 11-дневную периодичность гроз, а затем из обработки грозовых явлений для Южной Германии за 1800-1887 гг. получил период в 25,84 суток. В 1900г. Риддер нашел два периода для повторяемости гроз в Ледеберге за 1891-1894гг., а именно: в 27,5 и 33 суток. Первый из этих периодов близок к периоду обращения Солнца вокруг оси и почти совпадает с лунным тропическим периодом (27,3). В то же время были сделаны попытки сопоставить периодичность гроз с пятнообразовательным процессом. Одиннадцатилетний период в количестве гроз был обнаружен Гессом для Швейцарии.
В России Д. О. Святский получил на основании своих исследований периодичности гроз таблицы и графики, из которых хорошо видны как периоды повторяемости так называемых грозовых волн для обширной Европейской России, первый - в 24 - 26, второй - в 26 - 28 суток, так и связь грозовых явлений с солнечной пятнообразовательной деятельностью. Полученные периоды оказались настолько реальны, что явилась возможность намечать на несколько летних месяцев вперед даты прохождения таких "грозовых волн". Ошибка не достигает более чем 1 - 2 суток, в большинстве получается полное совпадение.
Обработка наблюдений грозовой деятельности, произведенная в последние годы Фаасом, показывает, что для всей территории европейской части СССР наиболее часто и ежегодно встречаются периоды в 26 и 13 (полупериод) суток. Первый представляет собою опять-таки значение, очень близкое к обращению Солнца вокруг оси. Исследования о зависимости грозовых явлений в Москве от солнцедеятельности производились за последние годы А. П. Моисеевым, который, тщательно наблюдая за пятнообразованием и грозами с 1915 по 1926 г., пришел к заключению, что число и интенсивность гроз в среднем стоит в прямом соответствии с площадью пятен, проходящих через центральный меридиан Солнца. Грозы учащались и усиливались при увеличении числа пятен на Солнце и наибольшего напряжения достигали после прохождения, крупных групп пятен через середину диска Солнца. Таким образом, многолетний ход кривой частоты гроз и ход кривой числа пятен совпадают достаточно хорошо. Затем Моисеев исследовал другой интересный факт, а именно суточное распределение гроз по часам. Первый суточный максимум наступает в 12 - 13 часов дня местного времени. Затем с 14 - 15 следует небольшое понижение, в 15-16 часов идет главный максимум, и далее кривая понижается. По всему вероятно, данные явления стоят в связи как с прямым излучением Солнца и ионизацией воздуха, так и с ходом температуры. Из исследования Моисеева видно, что в моменты максимума солнечной деятельности, а также около момента минимума грозовая деятельность наиболее интенсивна, причем в моменты максимума гораздо резче выражена. Это несколько противоречит положению, поддерживаемому Бецольдом и Гессом, что минимумы частоты гроз совпадают с максимумами солнечной деятельности, Фаас в своей обработке гроз за 1996 г. указывает, что им было обращено особое внимание на то, что не увеличивается ли грозовая деятельность при прохождении крупных пятен через центральный меридиан Солнца. Для 1926 г. никаких положительных результатов получено не было, однако в I923 г. наблюдалась очень тесная связь явлений. Это может быть объяснено тем, что в годы максимума солнечные пятна группируются ближе к экватору и проходят вблизи видимого центра солнечного диска. При таком положении их возмущающее влияние на Землю следует считать наибольшим. Многие исследователи старались найти другие периоды гроз, но колебания грозовой деятельности по имеющимся в нашем распоряжении материалам слишком еще труднообозримы и не дают возможности установить какие-либо общие закономерности. Во всяком случае вопрос этот с течением времени привлекает внимание все большегоко личества исследователей.
Число гроз и их интенсивность известным образом отражаются и на человеке и его имуществе. Так, из статистических данных, приводимых еще Будэном (Budin), видно, что максимумы смертных случаев от удара молнии падают на годы максимального напряжения в деятельности Солнца, а минимумы их - на годы минимума пятен. В то же время русский лесовод Тюрин отмечает, что, согласно его исследованиям, произведенным на массовом материале, пожары в брянском лесном массиве принимали стихийный характер в 1872, 1860, 1852, 183б, 1810, 1797, 1776 и 1753 гг. В северных лесах также может быть отмечена периодичность, равная в среднем 20 годам, причем даты лесных пожаров на севере во многих случаях совпадают с указанными датами, что показывает на влияние одной и той же причины - засушливые эпохи, некоторые из них падают на годы максимумов солнцедеятельности. Можно отметить, что в суточном ходе грозовой деятельности и в суточном ходе числа пожаров от молнии наблюдается также хорошая зависимость.
Глава 2.Методы получения и обработки исходных данных
2.1 Получение исходного материала

В данной работе использовались метеорологические данные о грозовой деятельности по семи станциям республики Татарстан: Тетюши (1940-1980), Лаишево (1950-1980), Казань-Опорная (1940-1967), Кайбицы (1940-1967), Арск (1940-1980), Агрыз (1955-1967) и метеорологической станции Казанского Государственного Университета (1940-1980). Данные приводятся с декадной дискретизацией. В качестве индексов грозовой активности бралось число дней с грозой в декаду. А так же ежемесячные данные о солнечной активности - числа Вольфа за 1940-1980 г.г.
По данным за указанные годы рассчитаны основные статистические характеристики для индексов грозовой активности.
2.2 Основные статистические характеристики

Метеорология имеет дело с огромными массивами наблюдений, которые нужно анализировать для выяснения закономерностей, существующих в атмосферных процессах. Поэтому в метеорологии широко применяются статистические методы анализа больших массивов наблюдений. Применение мощных современных статистических методов помогает яснее представить факты и лучше обнаружить связь между ними.
Среднее значение временного ряда рассчитывается по формуле
? = ?Gi / N
где 1< i Дисперсия показывает разброс данных относительно среднего значения и находится по формуле
?І = ?(Gi - ?)2 / N , где 1< i Величина, называемая среднеквадратическим отклонением, представляет собой квадратный корень из дисперсии.
? = ?(Gi - ?)2 / N , где 1< i Все большее применение в метеорологии находит наиболее вероятное значение случайной переменной - мода.
Также для характеристики метеовеличин используют асиметрию и эксцесс.
Если среднее значение больше моды, то распределение частот называют положительно асиметричным. Если среднее значение меньше моды, то отрицательно асиметричным. Коэффициент асимметрии вычисляется по формуле
A = ?(Gi - ?)3 / N?3 , где 1< i Асиметрия считается малой, если коэффициент асиметрии |A|?0.25. Асиметрия умеренная, если 0,25<|А|>0.5. Асиметрия большая, если 0,5<|А|>1,5. Исключительно большая асиметрия, если |А|>1,5. Если |А|>0 , то распределение имеет правостороннюю асиметрию, если |А|<0, то левостороннюю асиметрию.
Для распределения частот, имеющих одинаковые значения средней, асиметрии могут отличаться величиной эксцесса
Е = ?(Gi - ?)? / N?? , где 1< i Эксцесс считается малым, если |E|?0.5; умеренным, если 1?|E|?3 и большим, если |E|>3. Если -0.5?Е?3, то эксцесс приближается к нормальному.
Коэффициент корреляции - это величина, показывающая взаимосвязь между двумя коррелируемыми рядами.
Формула коэффициента корреляции имеет следующий вид:
R = ?((Xi-X)*(Yi-Y))/ ?x?y
где X и Y - средние величины, ?x и?y - среднеквадратические отклонения.
Свойства коэффициента корреляции:
1. Коэффициент корреляции независимых величин равен нулю.
2. Коэффициент корреляции не изменяется от прибавления к x и y каких-либо постоянных (неслучайных) слагаемых, а также не изменяется от умножения величин x и y на положительные числа (постоянные).
3. Коэффициент корреляции не изменяется при переходе от x и y к нормированным величинам.
4. Диапазон изменения от -1 до 1.
Необходимо делать проверку надежности наличия связи, надо оценить значимость отличия коэффициента корреляции от нуля.
Если для эмпирического R произведение ¦R¦vN-1 окажется больше некоторого критического значения, то с надежностью S можно утверждать, что коэффициент корреляции будет достоверен (достоверно отличатся от нуля).
Корреляционный анализ позволяет установить значимость (неслучайность) изменения наблюдаемой, измеряемой случайной величины в процессе испытаний, позволяет определить форму и направление существующих связей между признаками. Но ни коэффициент корреляции, ни корреляционное отношение не дают сведений о том, насколько может изменяться варьирующий, результативный признак при изменении связанного с ним факториального признака.
Функция, позволяющая по величине одного признака при наличии корреляционной связи находить ожидаемые значения другого признака, называется регрессией. Статистический анализ регрессии называется регрессионным анализом. Это более высокая ступень статистического анализа массовых явлений. Регрессионный анализ позволяет предвидеть Y по признаку X:
Yx-Y=(Rxy* ?y*(X-X))/ ?x (2.1)
Xy-X=(Rxy* ?x*(Y-Y))/ ?y (2.2)
где X и Y - соответствуют среднему, Xy и Yx - частные средние, Rxy - коэффициент корреляции.
Уравнения (2.1) и (2.2) можно записать в виде:
Yx=a+by*X (2.3)
Xy=a+bx*Y (2.4)
Важной характеристикой уравнений линейной регрессии является средняя квадратическая погрешность. Она имеет следующий вид:
для уравнения (2.3) Sy= ?y*v1-RІxy (2.5)
для уравнения (2.4) Sx= ?x*v1-RІxy (2.6)
Ошибки регрессии Sx и Sy позволяют определить вероятную (доверительную) зону линейной регрессии, в пределах которой находится истинная линия регрессии Yx (или Xy), т.е. линия регрессии генеральной совокупности.
Глава 3. Анализ расчетов
3.1 Распределение основных статистических характеристик

Рассмотрим некоторые статистические характеристики числа дней с грозой в Предкамье на семи станциях (Таблицы 1-7). В связи с очень малым числом дней с грозой в зимнее время, в данной работе будет рассматриваться период с апреля по сентябрь.
Станция Тетюши:
В апреле максимальное среднедекадное значение наблюдается в 3 декаде месяца?=0,20. Модальные значения во всех декадах равны нулю, следовательно, слабая грозовая деятельность. Максимум дисперсии и среднеквадратического отклонения также наблюдаются в 3 декаде? 2 =0.31; ? =0.56. Ассиметрия характеризуется исключительно большим значением во второй декаде А=4,35. Также во 2 декаде наблюдается большое значение эксцесса E=17,79.
В мае, вследствие увеличения притоков тепла, увеличивается грозовая деятельность. Максимальное среднедекадное значение наблюдалось в 3 декаде и составило? =1.61. Модальные значения во всех декадах равны нулю. Максимальные значения дисперсии и среднеквадратического отклонения наблюдаются в 3 декаде? 2 =2.59; ?=1.61. Значения ассиметрии и эксцесса убывают от первой декады к третьей (в первой декаде А=1,23; Е=0,62; в третьей декаде А=0,53; Е=-0,95).
В июне максимум среднедекадного значения приходится на третью декаду?=2,07. Наблюдается увеличение значений дисперсии и среднеквадратичного отклонения по сравнению с апрелем и маем: максимум во второй декаде (? 2 =23,37; ?=1,84), минимум в первой (? 2 =1,77; ?=1,33). Модальные значения в первых двух декадах равны нулю, в третьей декаде оно составило М=2. Ассиметрия во всех декадах большая и положительная, в третьей декаде. Эксцесс в первых двух декадах характеризуется малыми значениями, в третьей декаде его значение повысилось Е=0,67.
Наибольшее среднедекадное значение в июле? =2,05 во второй декаде. Модальные значения в первых двух декадах равны 1 и 2 соответственно, в третьей нулю. Максимальные значения дисперсии и среднеквадратичного отклонения наблюдаются во второй декаде и составляют? 2= 3,15 и?=1,77 соответственно, минимальные в первой декаде? 2= 1,93 и?=1,39 соответственно. Асиметрия характеризуется большими, положительными значениями: максимум в первой декаде А=0,95, минимум во второй декаде А=0,66. Эксцесс во второй и третьей декадах мал и имеет во второй декаде отрицательное значение, на первую декаду приходится максимум Е=1,28, минимум во второй декаде Е=-0,21.
В августе грозовая деятельность уменьшается. Наибольшее среднедекадное значение отмечается в первой декаде? =1,78, наименьшее - в третьей? =0.78. Модальные значения в первой и третьей декадах равны нулю, во второй - единице. Наблюдается уменьшение значений дисперсии и среднеквадратичного отклонения: максимум в первой декаде (? 2 =3,33; ? =1,82), минимум в третьей (? 2 =1,23; ?=1,11). Происходит небольшое увеличение значений асиметрии и эксцесса от первой декады к третьей: максимумы в третьей декаде А=1,62, Е=2,14, минимумы во второй декаде А=0.40, Е=-0,82.
В сентябре максимальное среднедекадное значение составило? =0,63 в первой декаде месяца. Модальные значения равны нулю. Отмечается уменьшение значений дисперсии и среднеквадратического отклонения от первой декады к третьей (? 2 =0,84; ? =0,92 - в первой декаде и? 2 =0,11;? =0,33 - в третьей).
Обобщая вышесказанное, делаем вывод, что значения таких статистических характеристик как мода, дисперсия и среднеквадратическое отклонение увеличиваются вместе с повышением грозовой деятельности: максимальные значения наблюдаются в конце июня - начале июля (рис.1).
Рис.1
Асиметрия и эксцесс наоборот принимают наибольшие значения во время минимальной грозовой деятельности (апрель, сентябрь), в период максимальной грозовой деятельности асиметрия и эксцесс характеризуются большими значениями, но меньшими по сравнению с апрелем и сентябрем (рис.2).
Рис.2
Максимальная грозовая деятельность наблюдалась в конце июня - начале июля (рис.3).
Рис.3
Проанализируем остальные станции, опираясь на графики, построенные по рассчитанным статистическим величинам на этих станциях.
Станция Лаишево:
На рисунке изображено среднедекадное значение числа дней с грозой. По графику видно, что имеется два максимума грозовой деятельности, приходящиеся на конец июня и конец июля, равные?=2,71 и?=2,52 соответственно. Также можно отметить скачкообразное возрастание и убывание, что говорит о сильной изменчивости погодных условий в данном районе (рис.4).
Рис.4
Мода, дисперсия и среднеквадратическое отклонение имеют наибольшие значения в период с конца июня по конец июля, что соответствует периоду наибольшей грозовой активности. Максимальная дисперсия наблюдалась в третьей декаде июля и составила? 2= 4,39 (рис.5).
Рис.5
Асиметрия и эксцесс принимают свои наибольшие значения во второй декаде апреля (А=5,57; Е=31), т.е. во время минимальной грозовой активности. А в период максимальной грозовой деятельности характеризуются малыми значениями (А=0,13; Е=-1,42) (рис.6).
Рис.6
Станция Кзань-опорная:
На данной станции отмечается плавный рост и падение грозовой активности. Максимум длится с конца июня до середины августа, с абсолютным значением?=2,61 (рис.7).
Рис.7
Модальные значения выражены достаточно сильно, по сравнению с предыдущими станциями. Наблюдаются два основных максимума М=3 в третьей декаде июня и во второй декаде июля. В это же время достигают своих максимумов дисперсия и среднеквадратическое отклонение (? 2 =3,51; ?=1,87) (рис.8).
Рис.8
Максимумы асиметрии и эксцесса отмечаются во второй декаде апреля (А=3,33; Е=12,58) и третьей декаде сентября (А=4,08; Е=17,87). Минимум наблюдался в третьей декаде июля (А=0,005; Е=-1,47) (рис.9).
Рис.9
Станция Кайбицы:
Максимальное среднее значение во второй декаде июня?=2,79. Наблюдается скачкообразный рост и плавное убывание грозовой активности (рис.10).
Рис. 10
Модальное значение принимает максимальное значение во второй декаде июня М=4. В это же время дисперсия и среднеквадратическое отклонение тоже максимальны (? 2 =4,99; ?=2,23) (рис.11).
Рис.11
Асиметрия и эксцесс характеризуются исключительно большими значениями во второй декаде апреля (А=4,87; Е=24,42) и третьей декаде сентября (А=5,29; Е=28,00). Минимум отмечался в первой декаде июня (А=0,52; Е=-1,16) (рис.12).
Рис.12
Станция Арск:
На данной станции наблюдается два максимума грозовой активности, приходящиеся на вторую декаду июня и третью декаду июля?=2,02 (рис.13).
Рис.13
Максимумы дисперсии и среднеквадратического отклонения приходятся на вторую декаду июня, что совпадает с максимумом среднего значения грозовой активности (? 2 =3,97; ?=1,99). Второй максимум грозовой активности (третья декада июля) сопровождается также большими значениями дисперсии и среднеквадратического отклонения (? 2 =3,47; ?=1,86) (рис.14).
Рис.14
Отмечается исключительно большие значения асиметрии и эксцесса в первой декаде апреля (А=6,40; Е=41,00). В сентябре эти величины характеризуются также большими значениями (А=3,79; Е=13,59 в третьей декаде сентября). Минимум во второй декаде июля (А=0,46; Е=-0,99) (рис.15).
Рис.15
Станция Агрыз:
В связи с малым объемом выборки на данной станции судить о грозовой активности можем лишь условно.
Наблюдается скачкообразное изменении грозовой активности. Максимум достигается в третьей декаде июля?=2.92 (рис.16).
Рис.16
Хорошо выражено модальное значение. Наблюдается три максимума М=2 в третьей декаде мая, в третьей декаде июня и во второй декаде июля. Дисперсия и среднеквадратическое отклонение имеют по два основных максимума, приходящиеся на вторую декаду июня и на третью декаду июля и равные? 2 =5,08; ? =2,25 и? 2 =4,91; ?=2,22 соответственно (рис.17).
Рис.17
Отмечается исключительно большие значения асиметрии и эксцесса во всех декадах апреля (А=3,61; Е=13,00). Два основных минимума: во второй декаде мая (А=0,42; Е=-1,46) и первой декаде июля (А=0,50; Е=-1,16) (рис.18).
Рис.18
Станция КГУ:
Максимум среднего значения приходится на вторую декаду июня и составляет?=1,90. Также можно отметить плавный рост и убывание грозовой активности (рис.19).
Рис.19
Мода достигает своих максимальных значений во второй декаде июня (М=2) и первой декаде июля (М=2). Дисперсия и среднеквадратическое отклонение принимают свои наибольшие значения в третьей декаде июля (? 2 =2,75; ?=1,66) (рис.20).
Рис.20
В апреле и в сентябре асиметрия и эксцесс характеризуются исключително большими значениями: в первой декаде апреля - А=6,40; Е=41,00, в третьей декаде сентября - А=4,35; Е=17,79. Минимум асиметрии и эксцесса во второй декаде июля (А=0,61; Е=-0,48) (рис.21).
Рис.21
3.2 Анализ трендов

Неслучайная, медленно меняющаяся составляющая временного ряда называется трендом.
В результате обработки данных были получены уравнения тренда на семи станциях месячным данным (Таблицы 8-14). Расчеты проводились по трем месяцам: май, июль и сентябрь.
На станции Тетюши отмечается за многолетний период увеличение грозовой активности в весенние и осенние месяцы, и ее уменьшение в июле.
На ст. Лаишево в мае за многолетний период отмечается увеличение грозовой активности (b=0,0093), а в июле и сентябре ее уменьшение.
На станциях Казань-Опорная, Кайбицы и Арск во всех трех месяцах коэффициент b положителен, что соответствует увеличению гроз.
На ст. Агрыз, ввиду малого объема выборки, говорить о характере изменения интенсивности грозовой деятельности затруднительно, но можно отметить, что в мае и июле происходит уменьшение, а в сентябре - повышение грозовой активности.
На станции Казанского Государственного Университета в мае и июле коэффициент b положителен, а в сентябре имеет знак минус.
Максимален коэффициент b в июле на ст. Кайбицы (b=0,0577), минимален - в июле на ст. Лаишево.
3.3 Анализ регрессионной зависимости числа дней с грозой от чисел Вольфа

Расчеты проводились по центральному месяцу лета - июлю (Таблица15), таким образом, выборка составляла N=40 июлей с 1940 по 1980 года.
Проделав соответствующие расчеты, получили следующие результаты:
Вероятность доверия для коэффициента a на всех станциях практически нулевая. Вероятность доверия для коэффициента b на большинстве станций тоже мало отличается от нуля и лежит в промежутке 0,23?b?1,00.
Коэффициент корреляции на всех станциях,за исключением ст. Агрыз, отрицателен и не превышает значения r=0,5, коэффициент детерминации на этих станциях не превышает значения r 2 =20,00.
На ст. Агрыз коэффициент корреляции положительный и самый большой r=0,51, вероятность доверия r 2 =25,90.
Заключение

В результате про и т.д.................