Экстремальные осадки и снежно-ледниковые явления

Штормы и ураганы сопровождаются обычно обильными осадками. Рассмотрим условия выпадения экстремальных осадков. Максимальные значения интенсивности осадков выше летом. Чаще летом осадки выпадают вблизи океанов, на наветренных склонах гор, в наиболее влажных районах эква­ториального и тропического климатических поясов. В сухих районах возможны интенсивные осадки, но они, обычно, реже во времени. Рекорды минутной интенсивности принадлежат конвек­тивным (грозовым) ливням тропиков Центральной Амери­ки – до 20–25 мм/мин при средней интенсивности более 10–20 мм/мин. Конвективные ливни обычно охватывают небольшие территории (до 200 км²), непродолжительны (в тропиках до 2–4 ч, чаще до 1 ч; в средней полосе – до 30 мин), неравномерны, начинаются и заканчиваются рез­ко. Наибольший диаметр капель при таких ливнях: в тропи­ках – до 7–8 мм, в умеренных широтах – до 4–5 мм.

Фронтальные ливневые дожди длятся от не­скольких часов до 4 суток, с перерывами до 2–3 недель. Они охватывают территории площадью до сотен тысяч квадрат­ных километров. При тропических циклонах интенсивность ливней нередко превышает 150 мм/сут и достигает 500–800 мм/сут. Чаще всего ливень длится 5–10 часов и за 10–20 ч может вы­пасть вся годовая норма осадков. В районах, где эта норма особенно велика (например, на Филиппинах 2000–3000 мм), ее могут набирать интенсивные ливни в течение 60–70 ч. В субтропиках Средиземноморья атлантические циклоны могут давать ливни интенсивностью до 400–500 мм/сут.

В Батуми интенсивность ливней превышает 250 мм/сут, что отвечает нескольким метрам снега в близлежащих горах Аджарии. В умеренном климатическом поясе величины интенсивности еще меньше: в Англии, Молдавии, на Украине 100–200 мм/сут, в цент­ральных районах европейской части России – 50–100 мм/сут, в северных районах – до 50 мм/сут.

Экстремальное количество и продолжительность выпадения осадков оказываются опасными для лю­дей и различных объектов и также активизируют другие виды чрезвычайных ситуаций:

1) интенсивные ливни возбуждают наводнения, эрозию, сели и оползни в горах; несвоевременные и затяжные дожди вредоносны для урожая;

2) экстремально малые суммы осадков приводят к засухе, опасности лес­ных пожаров, обмелению рек, трудностям для судоходства и водоснаб­жения и т. д.

Рассмотрим опасные природные явления зимнего времени. По режиму и форме воздействия на людей и различные объекты снежно-ледниковые явления весьма разнообразны. Чрезвычайные ситуации связаны с эпизодическими собы­тиями – экстремальными снегопадами и метелями, холодами, массо­вым сходом лавин, крупными заторами льда на реках и т. п.

Снежный покров – это слой снега на поверхности земли, возникающий в результате снегопадов. Различают временный и устойчивый снежные покровы. Устойчивый снежный покров распространяется в районах со средней тем­пературой самого холодного месяца 0°С и ниже, неустой­чивый снежный покров и редкие снегопады возможны при температуре этого месяца +10–(+12)°С. Названным условиям со­ответствуют почти 2/3 площади суши, причем приблизитель­но на 1/4 суши снежный покров держится не менее четырех месяцев в году. Области с многолетней мерзлотой, подзем­ными льдами и наледями занимают около 1/7 суши, аква­тория с морскими льдами и айсбергами –1/4 поверхности морей и океанов. В районах, где зимой устанавливается снеж­ный покров, размещается 1/5 населения мира и еще почти столько же – в районах, где возможны неустойчивый снеж­ный покров и редкие снегопады.

Благодаря малой теплопроводности снежный покров пре­дохраняет почву от сильного вымораживания и озимые посевы от вымерзания. В нем содержатся снегозапасы, яв­ляющиеся источником пресной воды при таянии снега. Снеж­ный покров оказывает большое влияние на климат, рельеф, гидрологические и почвообразовательные процессы, жизнь растений и животных. Он используется в хозяйственных целях путем снегозадержания и снежной мелиорации.

Величина снежного покрова характеризует снежность зи­мы. По абсолютной снежности выделяют:

а) бесснежные районы (толщина снежного покрова менее 10 см),

б) малоснежные (с покровом 10–30 см, в континентальных районах – до 40–50 см),

в) многоснежные (с большой, более 0,5 м снежного покрова).

В зимнее время циклоны вызывают интенсивные снегопады и метели. Метель, вьюга, буран (в азиатской части России), пурга (в северных районах России) – все эти понятия относятся к одному и тому же явлению природы.

Сильный снегопад (ГОСТ Р 22.0.03–95) – это продолжительное интенсивное выпадение снега из облаков, приводящее к значительному снижению видимости и затруднению снижения транспорта.

Снежные заносы – обильное выпадение снега при скорости ветра свыше 15 м/с и продолжительности снегопада более 12 часов.

Метель (вьюга) – это перенос снега сильным ветром над поверхностью земли. Количество переносимого снега определяется скоростью вет­ра, а участки аккумуляции снега – его направлением. В про­цессе метельного переноса снег движется параллельно поверхности земли. При этом основная масса его переносит­ся в слое высотой менее 1,5 м. Рыхлый снег поднимается и переносится ветром при скорости 3–5 м/с и более (на вы­соте 0,2 м). У метели коварный нрав – начинается она внезапно и очень быстро набирает силу.

Различают низовые (при отсутствии снегопада), верховые (при ветре лишь в свободной атмосфере) и общие метели, а также метели насыщенные, т. е. переносящие предельно возможное при данной скорости ветра количество снега, и ненасыщенные. Последние наблюдаются при нехватке сне­га или при большой прочности снежного покрова. Твердый расход насыщенной низовой метели пропорционален третьей степени скорости ветра, верховой метели – первой ее степе­ни.

При скорости ветра до 20 м/с метели относятся к слабым и обычным, при скорости 20–30 м/с – к сильным, при боль­шой скорости – к очень сильным и сверхсильным (фактиче­ски это уже штормы и ураганы). Слабые и обычные метели длятся до нескольких суток, более сильные – до несколь­ких часов.

Снегонакопление при метельном переносе во много раз превышает аккумуляцию снега, которая наблюдается в ре­зультате снегопадов при безветренной погоде. Отложение снега происходит в результате уменьше­ния скорости ветра вблизи наземных препятствий. Форма и размер запасов снега определяются формой и размером препятст­вий и их ориентацией по отношению к направлению ветра.

В целом по миру эти чрезвычайные ситуации находятся на 4-ом или 5-ом месте по величине наносимого ими ущерба. На­пример, в США сильные снегопады уступают по среднемноголетнему числу жертв лишь грозам и смерчам, а по эконо­мическому ущербу суммарно с морозами оказываются на первом месте. Больше всего снега выпадает на склонах вулкана Рейнир (штат Вашинктон, США) – в среднем 14,6 м в год. Это достаточно, чтобы засыпать по самую крышу шестиэтажный дом. Велик разовый ущерб от экстремаль­ных снегопадов в обычно малоснежных Молдавии, Закав­казье, предгорьях Средней Азии. В России повсеместно распространены опасные природные процессы, связанные с холодными и снежными зимами. Это приводит к удорожанию строительства и эксплуатации городов и дорог в среднем на 30 %, к увеличению риска многих ЧС в случае отказа систем теплоснабжения. Сильным снежным заносам подвержены, прежде все­го, многоснежные районы Заполярья, Сибири, Урала, Дальнего Вос­тока и Севера Европейской части. На территории всей страны ежегодно бывает в среднем 5–6 сильнейших буранов, способных парализовать же­лезные и автомобильные дороги, обрывать линии связи и электро­передач и т. д. На европейской части России среднее число дней с метелью – 30–40, средняя продолжительность метели – 6–9 ч.

Последствия снежных заносов могут быть достаточно тяжелыми. Чрезвычайные ситуации при снегопадах следующие:

а) слой сне­га толщиной 5–10 см существенно затрудняет движение на автодорогах;

б) слой снега 20–30 см – вызывает значительную задержку движения автотранспорта и железнодорожного транспорта, увеличивает в 2 раза количество аварий;

в) слой снега более 30 см почти полностью парализует (вызывает остановку) движение автомобильного транспорта и поездов, приводит к закрытию автодорог и аэропортов, школ, обрыв ЛЭП и линии связи, электро­снабжения, теплоснабжения, обрушению крыш домов;

г) люди, оказавшиеся на местности в изоляции из-за снежных заносов, подвергаются опасности обморожения и гибели, а в условиях буранов теряют ориентировку.

Защита городов и дорог от неблагоприятных и опасных снежно-ледовых явлений требу­ет удорожания строительства и эксплуатации на величину до 100–200 %. В многоснежных районах проектирование и строительство зданий, сооружений и коммуникаций, особенно дорог, долж­но проводиться с учетом уменьшения их снегозаносимости.

Дорожные службы Москвы рассчитаны на уборку снега 10–15 см в сутки без привлечения служб ЧС. Снеговые нагрузки могут ломать крыши домов, деревья, губить плантации и т. д., особенно в районах, где снегопады редки и сильны (юг США, Северная Африка, Турция и дру­гие страны Средиземноморья). Средние многолетние из максимальных за зиму снеговых нагрузок могут превышать 250 кг/м², нагрузки от разовых снегопадов – 100 кг/м². Здесь редкие ин­тенсивные снегопады способны вызвать чрезвычайные ситуа­ции комплексного характера (снеговые нагрузки; паводки снеготаяния; в горах лавины, активизация оползней и т. п.). Такие снегопады случаются раз в несколько лет или десяти­летий, длятся обычно до 2–4 сут, охватывают площадь в 1000 км² (вставка 13).

Дополнительный отрицательный эффект при снежных заносах возникает за счет сильного мороза, сильного ветра при метелях и обледенений.

Вставка 13

Невиданный снегопад.В марте 1993 г. свирепая снежная буря на востоке США (штат Флорида и Алабама) за 2 суток унесла жизни 270 человек (погибли от холода, авариях, смыты в море) и причинила ущерба на 3 млрд долларов (линии электропередач, оборванные упавшими деревьям, разрушенные дома и т.д.). Метеорологи уже несколько дней следили за рождающейся над Мексиканским заливом метелью. Вдоль всей восточной окраины США быстро сформировался холодный фронт протяжённостью 2000 км. Скорость ветра достигала 160 км/ч. Метель была такой сильной и обширной, что захватила семь штатов: местами выпало до 1 м снега. Федеральные шоссе были перекрыты, а прочие дороги превратились в непролазное месиво. Все крупные аэропорты восточного побережья на время прекратили работу. Сверкала молния, а в самый разгар снегопада раздался оглушительный гром. Такие феномены, известные как «снежные грозы», наблюдаются только во время сильных буранов. Отключилось электричество. По всему штату пронеслись более дюжины сильных торнадо, а восточное побережье Флориды затопило морем. В Алабаме программы радиопередач прерывались срочными сообщениями и погодными сводками.

Для предупреждения заносов используют снегозащитные ограждения из приготовленных заранее конструкций или в виде снежных стенок, валов и т. д. Ограждения сооружают на снегоопасных направлениях, особенно вдоль железных и важных шоссейных дорог. При этом их устанавливают на расстоянии не менее 20 м от обреза дороги. Для ориентировки пешеходов и водителей транспортных средств, застигнутых бураном, вдоль дорог устанавливают вехи и другие указатели. В горных и северных районах прак­тикуется растяжка канатов на опасных участках троп, до­рог, от здания к зданию. Держась за них, в условиях бурана люди ориентируются на маршруте.

В предвидении бурана на строительных и промышленных площадках производят крепление стрел кранов, других кон­струкций, не защищенных от воздействия ветра. Прекраща­ют работы на открытой местности и высоте. Усиливают швар­товку судов в портах. Сводят до минимума выход транспорта на маршруты.

Предупредительной мерой является оповещение органов власти, организаций и населения о прогнозе снегопадов и ме­телей. При получении угрожающего прогноза приводят в готов­ность силы и средства, предназначенные для борьбы с зано­сами, проведения аварийно-восстановительных работ.

Основной мерой борьбы со снежными заносами является расчистка дорог и территорий. В первую очередь расчищают от заносов железнодорожные и автомобильные магистрали, взлетно-посадочные полосы аэродромов, пристанционные пу­ти железнодорожных станций, а также оказывают помощь автотранспорту, застигнутому бедствием в пути. В наиболее тяжелых случаях, парализующих жизнедея­тельность целых населенных пунктов, к расчистке снега при­влекают все трудоспособное население.

Одновременно с расчисткой заносов организуют непре­рывное метеонаблюдение, розыск и освобождение от снеж­ного плена людей и транспортных средств, оказание помощи пострадавшим, регулирование движения и проводку транс­порта, защиту и восстановление систем жизнеобеспечения, доставку экстренных грузов специальным снегопроходимым транспортом в блокированные населенные пункты, защиту животноводческих объектов. При необходимости проводят частичную эвакуацию населения и организуют специальные маршруты коммунального транспорта колоннами, а также прекращают работу учебных заведений и учреждений.

В зимнее время, кроме снегопадов и метелей, отмечаются такие негативные явления, как град, туман, гололёд и гололедица (гололёдная корка).

Град – частички плотного льда, выпадающего в виде осадков из мощных кучево-дождевых облаков.

Туман – помутнение воздуха над поверхностью Земли, вызываемое конденсацией водяного пара

Гололед (ГОСТ Р 22.0.03–95) – это слой плотного льда на холодной земной поверхности и на предметах в результате замерзания капель переохлажденного дождя, мороси или сильного тумана, а также при конденсации пара, т.е. лёд везде: на проводах и на ветках деревьев.

Гололедица употребляется тогда, когда лёд появляется на горизонтальных поверхностях (поверхности земли, дороги и т.д.).

Снежные и ледяные корки образуются при налипании сне­га и намерзании капель воды на различных поверхностях. На­липание мокрого снега, наиболее опасное для линий связи и электропередач, происходит при снегопадах и температуре воздуха в диапазоне от 0° до +3°С, особенно при температуре +1 – +3°С и ветре 10–20 м/с. (рис. 33). Диаметр отложений снега на про­водах достигает 20 см, вес 2–4 кг на 1 м. Провода рвутся не столько под тяжестью снега, сколько от ветровой нагрузки. На полотне автодорог в таких условиях образуется скользкий снежный накат, парализующий движение почти так же, как гололедная корка. Такие явления характерны для приморских районов с мягкими влажными зимами (запад Европы, Япония, Сахалин и т. д.), но распространены также во внутриконтинентальных районах в начале и в конце зимы.

Рис. Снежная корка на изгороди

Гололёдная корка (голо­ледица) образуется при выпадении дождя на промороженную землю и при намокании и последующем замерзании поверхности снеж­ного покрова. Она опасна для пастбищных животных, напри­мер, на Чукотке в начале 80-х годов гололедица вызвала мас­совую гибель оленей. К типу гололедицы относится явление обледенения причалов, морских платформ, судов вследствие замерзания брызг воды во время шторма. Обледенение осо­бо опасно для небольших судов, палуба и надстройки кото­рых невысоко подняты над водой. Такое судно может набрать ледяную нагрузку критической величины за считанные часы. Ежегодно в мире от этого гибнет около десяти рыбо­ловных судов, сотни оказываются в рискованном положении.

Поражающие факторы перечисленных выше метеорологических природных явлений представлены в таблице 18 .

Таблица 18

Поражающие факторы в атмосфере опасных

природных явлений зимнего времени

При замерзании переохлажденных капель тумана на различ­ных предметах образуются гололедные (температуры воздуха от 0 до –5°С) и изморозевые корки (при отрицательной температуре 10–30°С). Вес гололедных корок может превышать 10 кг/м (до 35 кг/м на Сахалине, до 86 кг/м на Урале). Такая нагрузка разрушительна для большинства проводных линий и для многих мачт.

Воздействие гололеда на хозяйство наиболее заметно в Запад­ной Европе, США, Канаде, Японии, в южных районах бывшего СССР и носит в основном опасный характер. Например, в феврале 1984 г. в Ставропольском крае гололед с ветром парализовал автодороги и вызвал аварии на 175 высоковольтных линиях; их нормальная работа возобновилась лишь через 4 суток. При гололеде в Москве количество автоаварий увеличивается втрое.

При обледенении наиболее подвержены разрушительному действию линии электропередач и связи, контактные сети электротранспорта. В борьбе с оледенением используется три способа: механический, тепловой и применение антиобледенителей. Механический способ – намёрзающий снег и лёд сбивают с проводов шестами, скребками, укреплёнными на шестах, верёвками, перекинутыми через провода. При тепловом способе используют переменный и постоянный ток. На дорогах лёд скалывают или посыпают песком, шлаком, мелким гравием, особенно на поворотах.

При работах по ликвидации снежных заносов, обледенения и их последствий (табл.19) организуют места для обогрева и отдыха людей, привлекаемых к работам.

Таблица 19

Мероприятия по уменьшению последствий опасных

природных явлений зимнего времени

Подземные льды определяются физико-механическими свой­ства рыхлых горных пород в зоне многолетнемерзлых пород. Зона многолетнемерзлых пород относительно устойчиво­го состояния характеризуется среднегодовой температурой от –1,5 до –3°С. В ней прерывистое распределение мерзлоты пе­реходит в сплошное. Зона устойчивого состояния многолет­немерзлых пород и твердомерзлых грунтов отвечает средне­годовой температуре ниже –3°С.

Во всех этих зонах главным опасным явлением оказывается таяние мерзлоты, веду­щее к снижению не­сущих свойств грунта. Примером служат разрушение многих вспомогательных сооружений и угроза основным зданиям Ана­дырской ТЭЦ в 80-х годах вследствие вытаивания мерзлоты мёрзлых грунтов и деформации фундаментов.

Для сооружений, располагающихся на поверхности сезонно промерзающего слоя или на основаниях, углубленных в него, главную опасность представляют мерзлотные дефор­мации – пучения, перекосы и т. п.

Пучение – это поднятие или вспучивание грунтов за счёт расширения воды промерзающего слоя. Этот процесс обусловлен способностью воды или рыхлых влажных отложений увеличивать на 7 % свой объём при замерзании. Сезонное пучение может развиваться везде, где происходит промерзание осадочных пород. Бугры пучения распространены в области развития сезонно- и многолетнее- мёрзлых пород и представляет опасность почти для всей территории России. Процессы пучения изменяют условия жизнедеятельности растительности, животных и человека, создают угрозу для инженерных сооружений. Они приводят к выпиранию столбов из земли (и, как следствие, нарушение линий связи и электропередач), свай в основании фундаментов зданий и сооружений, что вызывает их неравномерную деформацию. Значительный ущерб однолетние бугры пучения приносят дорогам, аэродромам. С многолетними буграми пучения (булгунняхов, гидролакколитов) связано активное развитее термокарстовых процессов. По времени действия процессы пучения относятся к кратковременным (зимне-осенний период), имеют локальное развитие в пространстве.

Наледи – это ледяные тела разной площади, мощности и формы, формирующиеся в результате последовательного излияния и замерзания природных (речных и подземных), иногда техногенных (хозяйственно-бытовых и промышленных) вод. Излияние вод происходит под действием гидродинамического давления, которое возникает за счёт сужения живого сечения потоков в результате зимнего промерзания водоносных пород или озёр. Большинство наледей формируется за счёт постоянно действующих и по-разному проявляющих себя в течение года источников подземных (грунтовых) вод. Процесс наледеобразования не является постоянным на протяжении зимы. Периоды затишья сменяются активизацией, сопровождаемой прорывами и выбросами на поверхность наледного поля в разных его местах и сразной интенсивностью напорных подземных вод, их растеканием и последующим замерзанием.

Наледи характерны для районов с суровым, резко континентальным климатом, с холодными малоснежными зимами, с большим количеством подземных вод, залегающих близко к поверхности. Особенно благоприятны горно-складчатые районы, где широко распространены грубообломочные породы, многочисленные источники трещинно-жильных типов вод. Они представляют своего рода визитную карточку районов прерывистого распространения многолетней мерз­лоты. В более холодных районах с многолетнемёрзлыми породами наледи развиты слабее из-за уменьшения объемов грунтовых вод. Образующиеся ледяные массивы (наледи, или по-якут­ски – тарыны) нередко имеют огромные размеры – до 100 км² и больше. Например, длина и ширина известной Момской наледи сопоставима по размерам с крупнейшим на Па­мире ледником Федченко. Ледяные образования подобного типа довольно часто встречаются в Якутии и Верхояно-Колымской горноскладчатой области. В наледях Евро-Азиат­ского материка аккумулируется более 100 км³ воды.

По­всеместно в зоне многолетнемерзлых пород есть опасность антропогенного образования наледей на местах нарушения рельефа, теплоизолирующей растительности, водного стока. Такие наледи оказываются значительно меньше естествен­ных, но приносят больше неудобств, проявляясь на полках дорог, в карьерах, в населенных пунктах и т. д.

С образованием наледей связано формирование своеобразных форм рельефа – «наледные поляны» и «наледные долины». Сама наледь местами покрыта сетью трещин, огромными воронками с провалами во льду, ледяными карнизами и системой надлёдных озёр и ручейков.

Наледи снижают комфортность проживания населения, воздействия на сооружения. Они обладают большой разрушительной силой. Процессы наледообразования вызывают очень серьезные и даже катастрофические осложнения при строительстве и эксплуатации железных и автомобильных дорог, мостов, трубопроводов, жилых поселков и разного рода инженерных сооружений, прокладке зимников и т.д. В некоторых услови­ях, например, вдоль полотна дорог образуются грунтово-наледные бугры пучения диаметром до 200, высотой до 6 м. Они перекрывают дорожное полотно и осложняют движение транспорта в течение всего зимнего периода.

Наледи создают благоприятные условия для обитания животных. Наледи – постоянные пути миграции оленьих стад. Необходимо отметить позитивную роль наледей с ресурсных позиций. Наледи являются аккумуляторами пресных вод и хорошим диагностическим признаком повышенной водообильности пород. Наледи могут использоваться для питьевых целей и орошения сельскохозяйственных угодий в летний период. Они служат поисковым критерием месторождений подземных вод на тер­ритории с многолетним промерзанием пород.

Грозы, градобития

Грозы–наиболее распространенное опасное атмосферное явление. Гроза сопровождается молниями и оглушительными раскатами грома, интенсивными ливнями, иногда градом, усилением ветра, часто до шквала и смерчей.
Молния – гигантский электрический искровой разряд в атмосфере в виде яркой вспышки света. Красота молний страшная сила: ежегодно во всём мире она убивает около 10 тыс. и наносит увечья примерно 100 тыс. человек.

Гро­зы разделяются на внутримассовые, возникающие при кон­векции над сушей преимущественно в послеполуденные часы, а над морем в ночные часы, и фронтальные, появляющиеся на атмосферных фронтах, т. е. на границах между теплыми и хо­лодными воздушными массами.

Каждую секунду по всей планете бушует около 2 тыс. гроз и сверкает примерно 100 молний. По поверхности планеты грозы распределяются неравномерно. Над океаном гроз наблюдается приблизительно в десять раз меньше, чем над континентами. В тропической и субтропической зоне (от 30° северной широты до 30° южной широты) сосредоточено около 78 % всех молниевых разрядов. Максимум грозовой активности приходится на Центральную Африку. Например, над оз. Виктория в экваториальной части Африки грозы отмечаются 210 дней в году, во Флориде, США, на границе тропического и суб­тропического поясов – 90–100 дней, в умеренном поясе – 10–30 дней в году. На грозы влияют также географические особенности местности: сильные грозовые центры находятся в горных районах Гималаев и Кордильер. Наблюдения со спутников Земли позволили установить, что в Тихом океане вблизи Японских островов находится самое бога­тое грозами место на земном шаре. Неожиданным для ученых ока­залось не то, что грозы гремят там чаще обычного, а то, что в этом районе зарегистрированы самые мощные сверхмолнии. 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. Наибольшее число гроз на континентальной территории Европы (до 40–70 дней в году) наблюдалось в Молдавии, на Северном Кавказе и особенно в Закавказье. Среднегодовое число дней с грозой в некоторых городах России: Архангельск – 16, Мурманск – 5, Санкт-Петербург – 18, Москва – 27, Воронеж – 32, Ростов-на-Дону – 27, Астрахань – 15, Самара – 26, Казань – 23, Екатеринбург – 26, Сыктывкар – 21, Оренбург – 22, Омск – 26, Ханты-Мансийск – 17, Томск – 23, Иркутск – 15, Якутск – 14, Петропавловск-Камчатский – 0, Хабаровск – 20, Владивосток – 9.

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 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 ее повторяемость и интенсивность.

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

В мощных кучево-дождевых облаках на высотах 7–15 км где температура ниже (–15°)– (–20°) С между облаками и землей возни­кают сильные электрические разряды. Такие облака состоят из смеси переохлажденных капель и кристаллов воды c разными зарядами. По мере роста грозовой тучи мелкие «плюсовые» льдинки собираются в её верхней части, а более крупные «минусовые» – в нижней. Поверхность Земли относительно них оказывается положительно заряженной. В результате между ней и тучей, словно в гигантском конденсаторе, накапливается огромная разность потенциалов. Она приводит к появлению электрического поля, под действием которого свободные электроны приобретают значительные скорости и «бомбят» атмосферные газы, вызывая ионизацию их атомов с выделением энергии. Потенциальная энергия грозового облака пре­вышает 10¹³–10¹⁴ Дж, т. е. равна энергии взрыва термоядер­ной мегатонной бомбы. Энергии средней молнии хватит, чтобы лампочка мощностью 100 Вт непрерывно горела 3 месяца. Электрические заряды грозового об­лака молнии равны 10–100 Кл (кулонов, ампер·с) и разносятся на расстояния до 10–12 км, а электрические токи, создающие эти заряды, достигают 100 А (ампер). Напряженность электрического поля внутри грозового облака равна (1–3)·10⁵ Вт.

На равнинной местности грозовой процесс обычно вклю­чает образование молний, направленных от облака к земле. От нижнего края тучи отходят короткие ломаные искровые полосы, представляющие собой хорошо проводящие каналы. Лавин­ный заряд движется вниз ступеньками по 50–100 м, пока не достигнет земли. Когда до земной поверхности остается примерно 100 м, молния нацеливает­ся на какой-либо возвышающийся предмет. Молния характеризуется токами порядка десятков тысяч ампер. В облаках происходит трение молекул, в результате чего возникает электрическое напряжение. Температура молнии достигает 30 000° С, в 5 раз больше поверхности Солнца. Такая температура сильно разогревает окру­жающий воздух, что он стремительно расширяется и с гро­хотом преодолевает звуковой барьер. Длительность молнии составляет от десятых до сотых долей секунды. Чем туча ближе к выступам на земной поверхности, тем сопротивление ниже. Следовательно, наиболее уязвимы для молний изолированные высоты – отдельно стоящие деревья, остроконечные объекты и т.п. Металлы хорошо проводят электричество, поэтому тоже его «притягивают». Вспышка молнии распространяется в воздушной среде со скоростью 22 500 км/ч, так что ее видят практически в то же мгно­вение, когда происходит разряд, а грохот расширяющегося воздуха пролетает километр примерно за три секунды. Если молния и гром следуют один за другим сразу же, то можно с уверенностью сказать, что гроза где-то рядом, а если вспыш­ка молнии опережает раскаты грома, то гроза находится на каком-либо расстоянии. Чем дальше гроза, тем дольше не гремит гром после молнии. Вспышки невидимых и неслы­шимых молний при отдаленной грозе, освещающие изнутри облака, называются зарницами. Виды молний представлены в табл. 20.

Таблица 20

Виды молний

Чаше всего наблюдаются линейные молнии, длина которых составляет несколько километров. Молнии могут проходить в сами обла­ка – внутриоблачные или ударять в землю – наземные.

Особый вид молнии – шаровая, своеобразное электриче­ское явление, природа которой еще не выявлена. Она пред­ставляет собой форму светящегося шара диаметром 20–30 см, движущегося по неправильной траектории, который обла­дает большой удельной энергией, образующийся нередко вслед за ударом линейной молнии. Длительность ее сущест­вования – от нескольких секунд до минут, а исчезновение ее может сопровождаться взрывом, вызывающим разруше­ния и человеческие жертвы, или беззвучно. Реже встречается другие виды молний: плоская и точечная (табл. 20).

Для оценки последствий от удара молнии важной является величина разряда между слоями атмосферы и землей.

Оценка опасности воздействия молнии основана на ста­тистике частоты гроз с опасными молниями в данном райо­не. Повторяемость опасных молний относят к единице пло­щади, что дает возможность получить величину риска.

Вставка 14

Молния и авиация.Всреднем пассажирский самолёт получает удар молнии через каждые три тысячи часов полёта, т.е. примерно 1–2 раза в год.Бьющая в самолёт молния – впечатляющее зрелище. Это явление стало причиной аварии 2 августа 2005 г. французского самолёта. Он заходил на посадку в сильную грозу, соскользнул с полосы и оказался в овраге. К счастью, все 309 находившихся на борту людей были благополучно эвакуированы – всего за несколько минут до взрыва машины. Самая известная катастрофа самолёта «Боинг 707» произошла в 1963 г. Самолёт рухнул на землю после того, как в его топливный бак попала молния. Погибли все находившиеся на его борту – 81 человек. Это рекордное число жертв единственной молнии. Для атмосферных зарядов наиболее уязвимы электроника и топливная система самолёта, хотя к падению машины это ведёт редко. Алюминиевый корпус хорошо проводит электричество, поэтому молния быстро проскакивает сквозь него и снова выходит в атмосферу, оставляя лишь поверхностные «ожоги».

Повреждения, наносимые молнией, обусловлены высо­ким напряжением, большой силой тока в канале молнии и температурой, достигающей 30 000°С.

В среднем за год грозы уносят больше жизней, чем наводнения, смерчи и ураганы. Удары молнии иногда сопровождаются разрушениями, вызванными ее термическими и электродинамическими воз­действиями, а также некоторыми опасными последствиями, возникающими (как и при ядерном взрыве) от действия элек­тромагнитного и светового излучения.

Наибольшие разрушения вызывают удары молнии в на­земные объекты при отсутствии хороших токопроводящих путей между местом удара и землей. От электрического про­боя в материале образуются узкие каналы, в которые устрем­ляется ток молнии. Из-за очень высокой температуры часть материала интенсивно испаряется со взрывом. Это приводит к разрыву или расщеплению объекта, пораженного молни­ей, и воспламенению горючих элементов.

Возможно также возникновение большой разности потен­циалов и электрических разрядов между отдельными предме­тами внутри сооружений. Такие разряды могут явиться причиной пожаров и поражения людей электрическим током. Часто прямым ударам молнии подвергаются сооружения, возвышающиеся над окружающими строениями, например, металлические дымовые трубы, башни и строения, стоящие в открытой местности.

Весьма опасны прямые удары молнии в воздушные ли­нии связи с металлическими опорами. Сильный ток, про­шедший через тело человека от удара молнии, вызывает ос­тановку сердца. 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 (вставка 14). Поражающие факторы молнии сведены в таблицу 21.

Таблица 21

Поражающие факторы молнии

Защита зданий и сооружений от молний состоит в безо­пасном заземлении электрических импульсов, т. е. в приме­нении молнеотводов. Различают три типа воздействия тока молнии: прямой удар, вторичное воздействие заряда молнии и занос высоких потен­циалов (напряжения) в здания (шаровая молния).

При прямом разряде молнии в здание или сооружение может произойти его механическое или термическое разрушение.

Вторичное воздействие разряда молнии заключается в наведении в замкну­тых токопроводящих контурах (трубопроводах, электропровод­ках и др.), расположенных внутри зданий, электрических токов. Эти токи могут вызвать искрение или нагрев металлических конструкций, что может стать причиной возникновения пожара или взрыва в помещениях, где используются горючие или взры­воопасные вещества. К этим же последствиям может привести и занос высоких потенциалов (напряжения) по любым металло­конструкциям, находящимся внутри зданий и сооружений под действием молнии. Это вызывает резкое возрастание напряжения в электрических сетях, приводящее к различным аварийным ситуациям – от выгорания микросхем в бытовых приборах до полного выхода из строя электрооборудования.

Для защиты от действия молнии при прямом разряде устраивают молниеот­воды. Это заземленные металлические конст­рукции, которые воспринимают удар молнии и отводят ее ток в землю. Различают стержневые (вертикальные) и тросовые (горизонтальные протяженные) молниеотводы. Их защитное действие основано на свойстве молний поражать наибо­лее высокие и хорошо заземленные металлические конструкции.

Заземнитель молнезащиты – один или несколько заглубленных в землю электродов, предназначенных для отвода в землю токов молнии. Кроме заземнителя молниеотвод имеет токоприемник стержневой или тросовый и токоотвод.

Каждый молниеотвод имеет определенную зону защиты – часть пространства, внутри которого обеспечивается защита здания с определенной степенью надежности. В зависимости от| степени надежности зоны защиты могут быть двух типов – АиБ. Зона защиты зоны Аобладает надежностью 99,5 % и выше, а типа Б – 95 % и выше.

Рассмотрим, какую зону защиты образует стержневой отдельно стоящий молниеотвод (рис. 5.3.1).

Как следует из рисунка, зона защиты для данного молниеот­вода представляет собой конус высотой h₀ с радиусом основания на земле r₀. Обычно высота молниеотвода (h) не превышает 150 м. Остальные размеры зоны в зависимости от величины (h, м) следующие (табл. 22).

Существуют также зависимости, позволяющие, задаваясь размерами защищаемого объекта (h_x и r_x,), определить величину h. Эта зависимость для зоны Б имеет вид:

h = ( r_x +1,63 h_x)/1,5;

Для молниеотводов других типов зависимости иные.

Таблица 22

Параметры зоны защиты для молниеотвода

Методика расчета молниеотвода предусматривает определение его высоты и радиуса защиты. Методика расчета молнезащиты изложена в Инструкции по устройству молнезащиты зданий и сооружений РД 34.21.122-87 [].

Металлические буровые вышки, мачты самоходных и передвижных установок в целях грозозащиты должны иметь заземление не менее чем в двух точках. Запрещается во время грозы производить на буровой вышке, а также находиться ближе 5 м от заземляющих устройств молнезащиты. Для защиты человека от молнии на открытом месте необ­ходимо найти заземленное убежище. Таким убежищем мо­жет служить лес.

Рис. 34 . Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода

1 – граница зоны защиты на уровне высоты объекта; 2 – то же, на уровне земли; h – высота молниеотвода; h₀ – высота конуса защиты; h_x – высота защищаемого объекта; r_x– радиус зо­ны защиты на уровне высоты объекта; r₀ – радиус зоны защиты объекта на уровне земли.

Отдельно стоящее дерево представляет опасность, так как является громоотводом, и не исключен пробой между деревом и человеком (табл. 23).

Таблица 23

Действия населения при грозе

В заключение несколько слов о том, как научиться рассчитывать приближение грозы. Чтобы определить, на каком расстоянии она находится, приближается или отдаляется, нужно засечь время между вспышкой молнии и последующим раскатом грома. Известно, что скорость распространения звука в воздухе равна примерно 344 м/с, т.е. за 3 секунды звук проходит примерно 1 км. Если время от вспышки молнии до грома постепенно сокращается, значит, гроза приближается к вам. Исходя из этого, можно рассчитать приблизительное расстояние до эпицентра грозы и принять меры по обеспечению своей безопасности. Самая опасная ситуация складывается тогда, когда сразу за вспышкой молнии грохочет гром – значит, грозовое облако уже прямо над вами.

При грозах опасны интенсивные ливни, градобития, уда­ры молний, порывы ветра и вертикальные потоки воздуха (для авиации).

Опасность градобитий определяется диаметром (массой) градин и размерами поражаемой площади – «градовых до­рожек». Диаметр градин обычно не менее нескольких мил­лиметров и увеличивается вместе со скоростью и высотой поднятия грозовых облаков. Крупные градины диаметром от 1,2 до 12,5 см представ­ляют собой более сложные структуры.

Град – это атмосферные осадки в виде шариков льда и смеси льда и снега. Обычно град выпадает из мощных кучево-дождевых облаков во время про­хождения холодного фронта или во время грозы. Частота выпадения града раз­лична: в умеренных широтах он бывает 10–15 раз в год, у экватора на суше, где значительно более мощные восходя­щие потоки – 80–160 раз в год.

Выпадение гра­да приводит к поразительным разрушениям и к человече­ским жертвам. В России разработаны методы определения градоопасных облаков и созданы службы борьбы с градом. Опасные облака «расстреливают» снарядами, снаряженными специальными химическими веществами.

Наиболее градоопасны территории в предгорь­ях Карпат, Кавказа, Средней Азии. На Северном Кавказе диаметр градин нередко достигает 6–7 см, мас­са 60–70 г (рекорд 0,5 кг). В июле 1991 г. град повредил 18 само­летов в аэропорту Минеральные Воды. В Индии отмечен рекорд массы градин – 7 кг; отмечен случай гибели слона от удара гради­ны массой 3 кг. Крупный град разбивает виноградники и плантации фруктовых деревьев, крыши зданий, теплицы, автомашины и т. д.; град обычного размера повреждает и уничтожает посевы. Около 9/10 ущерба урожаю наносят редкие (около 10 % общего числа) сильные градобития.

«Градовые дорожки» достигают в длину 50–60 км, в ши­рину – до 10 км, но обычно они в 5–10 раз меньше. Весьма тяжелые повреждения посевам наносятся, когда слой выпав­шего града составляет хотя бы немногие сантиметры. Наи­большая зарегистрированная толщина слоя града – более 0,5 м (в Колорадо, США).