Влияние грозовых разрядов на радиоэлектронные средства

Грозовые разряды (молнии) – это наиболее распространенный источник мощных электромагнитных помех естественного происхождения [1, 5]. По приближенным подсчетам в земную поверхность ежесекундно ударяют около ста молний. На окружающие предметы, электротехнические сооружения, средства связи, РЭС, живую природу молнии оказывают неблагоприятные воздействия:

− электростатическое;

− электромагнитное;

− динамическое;

− термическое;

− биологическое.

Удары молнии нередко приводят к гибели людей и наносят большой материальный ущерб.

Молнияпредставляет собой разновидность газового разряда при очень большой длине искры. Общая длина канала молнии достигает нескольких километров. Источником молнии является грозовое облако, несущее в себе скопление объемных положительных и отрицательных зарядов. Образование таких объемных зарядов различной полярности в облаке (поляризация облака) связано с конденсацией вследствие охлаждения водяных паров восходящих потоков теплого воздуха на положительных и отрицательных капелек влаги в облаке под действием интенсивных восходящих воздушных потоков.

В природе различают три основных типа грозовых разрядов:

1. Линейная молния – имеет вид узкой полосы между облаком и землей, между облаками или между отдельными скоплениями объемных зарядов внутри облака.

2. Шаровая молния – ярко светящийся, подвижный, выпуклый, относительно устойчивый сгусток плазмы, возникающий и исчезающий по мало изученным в настоящее время причинам.

3. Тихие разряды – корона, возникающая в местах резкой неоднородности напряженности электрического поля на выступающих заземленных предметах в предгрозовой период и во время грозы.

Линейная молния (в дальнейшем молния) встречается в природе наиболее часто и является, по сравнению с другими видами грозовых разрядов, самым распространенным источником мощных электромагнитных помех.

Грозовой разряд развивается по различным путям. Внутриоблачные разряды чаще всего бывают во время гроз, возникающих высоко над землей. В таких условиях молнии легче развиваться от нижней части заряженного облака к верхней или наоборот, чем пройти долгий путь от основания облака, т.е. ближайшей к земле кромке, до земли. Внутриоблачные разряды нередко наблюдаются в засушливых районах, где облака выше над поверхностью земли, чем в районах с влажным климатом.

Для средних широт, где облака располагаются на высоте около 1 ÷ 3 км, число внутриоблачных разрядов и разрядов между облаками и землей почти одинаково.

Поляризация облака в процессе разделения зарядов происходит не одинаково. В 75 ÷ 85 % всех случаев основание облака несет отрицательный заряд, и в процессе разряда именно заряд этой полярности передается земле. При этом амплитудное значение тока молнии при отрицательной ее полярности в среднем в 1,5 ÷ 2 раза ниже, чем при положительной.

Механизм образования линейной молнии связан с постепенным накоплением разнополярных электрических зарядов на верхней и нижней частях облака и образованием вокруг него электрического поля возрастающей напряженности. Когда градиент потенциала в какой-либо точке облака достигает критического для воздуха значения (при нормальном атмосферном давлении около 3·10⁶ В/м), в этом месте возникает молния, которая начинается лидерной стадией и завершается обратным (главным) разрядом. Главная стадия грозового разряда и является источником МЭМП. Ввиду того, что в облаке образуется несколько изолированных друг от друга скоплений зарядов, молния обычно бывает многократной, т.е. состоит из нескольких единичных разрядов, развивающихся по одному и тому же пути. Средняя продолжительность главного разряда 20 ÷ 50 мкс; число повторных разрядов может колебаться от 2 до 10 и более; интервал времени между повторными разрядами 0,001 ÷ 0,5 с. Как показывают измерения, разрядный ток молнии представляет собой импульс с быстрым нарастанием тока от нуля до максимума (фронт волны) и сравнительно медленным спадом (хвост волны).

При осуществлении мер защиты и определения электромагнитной обстановки (ЭМО) в той или иной области в качестве расчетных могут быть приняты следующие значения основных величин характеристики молнии:

- амплитуда тока молнии, А (Ам) – 30 000;

- высота облака над землей, м – 2 000;

- канала молнии, м (h) – 4500;

- число повторных разрядов в течение одного видимого

- удара молнии – 3;

- длительность фронта импульса, мкс (λ_ф) – 3;

- длительность разряда молний, мкс – 50;

- общая продолжительность молнии, с – 0,5;

- число разрядов на 1 км² в год – 0,1.

Наибольшие значения амплитуд в спектре излучения молнии соответствуют частотам 300 ÷ 20 000 Гц.