Pohon sering menjadi sasaran sambaran petir, yang terkadang menimbulkan akibat yang sangat serius. Kami akan berbicara tentang bahaya sambaran petir baik untuk pohon itu sendiri maupun untuk orang yang tinggal di sebelahnya, serta bagaimana Anda dapat mengurangi risiko yang terkait dengan fenomena ini.

Di mana petir menyambar?

Untuk sebagian besar wilayah Bumi, badai petir adalah kejadian yang cukup umum. Pada saat yang sama, sekitar satu setengah ribu badai petir mengamuk di Bumi. Misalnya, lebih dari 20 hari badai petir diamati di Moskow setiap tahun. Namun terlepas dari keakraban fenomena alam ini, kekuatannya tidak bisa tidak mengejutkan. Tegangan petir rata-rata sekitar 100.000 volt, dan arusnya 20.000–50.000 ampere. Suhu saluran petir dalam hal ini mencapai 25.000 - 30.000 °C. Tidak mengherankan, petir menyambar bangunan, pohon, atau orang dan menyebarkan muatan listriknya, seringkali dengan konsekuensi bencana.

Meskipun kekalahan satu objek tanah oleh petir, baik itu bangunan, tiang atau pohon, adalah peristiwa yang agak langka, kekuatan penghancur kolosal membuat badai petir menjadi salah satu fenomena alam yang paling berbahaya bagi manusia. Jadi, menurut statistik, setiap kebakaran ketujuh di daerah pedesaan dimulai karena sambaran petir, dalam hal jumlah kematian terdaftar yang disebabkan oleh bencana alam, petir menempati urutan kedua, kedua setelah banjir.

Probabilitas objek tanah (termasuk pohon) tersambar petir tergantung pada beberapa faktor:

• tentang intensitas aktivitas badai petir di wilayah tersebut (terkait dengan iklim);
• pada ketinggian objek ini (semakin tinggi, semakin besar kemungkinan sambaran petir);
• dari hambatan listrik benda dan lapisan tanah yang terletak di bawahnya (semakin rendah hambatan listrik benda dan lapisan tanah yang terletak di bawahnya, semakin tinggi kemungkinan pelepasan petir ke dalamnya).

Dari uraian di atas, jelas mengapa pohon sering menjadi sasaran petir: pohon sering menjadi elemen utama relief di ketinggian, kayu hidup yang jenuh dengan kelembaban, terkait dengan lapisan tanah yang dalam dengan hambatan listrik yang rendah, sering mewakili sumur. - penangkal petir alami yang dibumikan.

Aktivitas badai petir di beberapa pemukiman di wilayah Moskow

Lokalitas	Durasi tahunan rata-rata badai petir, jam	Kepadatan spesifik sambaran petir dalam 1 km²	Karakteristik umum aktivitas badai petir
Volokolamsk	40–60	4	tinggi
istra	40–60	4	tinggi
Yerusalem Baru	40–60	4	tinggi
Pavlovsky Posad	20–40	2	rata-rata
Moskow	20–40	2	rata-rata
kashira	20–40	2	rata-rata

Apa bahayanya pohon tersambar petir?

Konsekuensi dari sambaran petir ke pohon sering menghancurkan baik untuk dirinya sendiri dan untuk bangunan di dekatnya, dan juga menimbulkan ancaman yang signifikan bagi orang-orang yang berada di dekatnya pada saat itu. Pada saat aliran listrik yang kuat melalui kayu, pelepasan panas yang kuat dan penguapan uap air yang eksplosif terjadi di dalam bagasi. Akibat dari ini adalah kerusakan dengan tingkat keparahan yang berbeda-beda: dari luka bakar atau retakan yang dangkal hingga batang atau api pohon yang terbelah. Dalam beberapa kasus, kerusakan mekanis yang signifikan terjadi di dalam batang (retak memanjang atau membelah kayu di sepanjang cincin tahunan), yang hampir tidak terlihat selama pemeriksaan eksternal, tetapi secara signifikan meningkatkan risiko tumbangnya pohon dalam waktu dekat. Seringkali serius, tetapi tidak terlihat selama inspeksi visual, kerusakan juga dapat diterima oleh akar pohon.

Jika sambaran petir tidak menyebabkan kehancuran instan atau kematian pohon, cedera parah yang dideritanya dapat menyebabkan perkembangan penyakit berbahaya, seperti busuk, penyakit pembuluh darah, tanaman yang lemah menjadi mangsa yang mudah bagi hama batang. Akibatnya, pohon bisa menjadi tidak aman atau mengering.

Sambaran petir pada pohon (termasuk yang masih hidup) seringkali menyebabkan kebakaran yang menjalar ke bangunan di sekitarnya. Terkadang pelepasan lateral dari pohon ditransmisikan ke dinding bangunan, bahkan jika penangkal petir dipasang di atasnya. Akhirnya, potensi listrik dari pohon yang terkena merambat di lapisan permukaan tanah, akibatnya dapat terbawa ke dalam gedung, merusak utilitas bawah tanah, atau menyebabkan sengatan listrik pada orang atau hewan peliharaan.

Sambaran petir ke pohon dapat menyebabkan kerusakan material yang signifikan bahkan jika tidak ada keadaan darurat. Bagaimanapun, penilaian keamanan pohon seperti itu, perawatan khusus untuknya, atau bahkan pemindahan sederhana pohon yang kering atau sakit parah dapat dikaitkan dengan biaya material yang signifikan.

Terkadang pelepasan lateral dari pohon ditransmisikan ke dinding bangunan, bahkan jika penangkal petir dipasang di atasnya.

Masalah Peraturan

Dengan demikian, proteksi petir dari pohon yang sangat berharga (yang merupakan pusat komposisi lanskap, historis dan langka) atau pohon yang tumbuh di dekat perumahan dapat dibenarkan secara praktis. Namun, kerangka peraturan yang mengatur atau mengatur proteksi petir pohon sama sekali tidak ada di negara kita. Keadaan ini lebih merupakan konsekuensi dari kelembaman kerangka peraturan domestik daripada penilaian yang memadai atas risiko yang terkait dengan sambaran petir pada pohon di lingkungan perkotaan.

Standar domestik utama saat ini untuk proteksi petir dimulai pada tahun 1987. Sikap terhadap proteksi petir di pedesaan dalam dokumen ini mencerminkan realitas dan posisi saat itu: nilai material sebagian besar bangunan pedesaan tidak besar, dan kepentingan negara difokuskan pada perlindungan properti publik daripada pribadi. Selain itu, penyusun standar domestik berangkat dari asumsi bahwa norma dan aturan konstruksi dipatuhi selama pembangunan perumahan pinggiran kota, tetapi ini tidak selalu terjadi. Secara khusus, jarak minimum dari batang pohon ke dinding bangunan harus minimal 5 m Dalam realitas konstruksi pinggiran kota, rumah sering terletak dekat dengan pohon. Selain itu, pemilik pohon seperti itu, sebagai suatu peraturan, enggan menyetujui pemindahannya.

Di negara lain, ada standar untuk proteksi petir: misalnya, American - ANSI A 300 bagian 4 atau Inggris - standar inggris 6651 juga mengatur proteksi petir pohon.

Jarak minimum dari batang pohon ke dinding bangunan harus minimal 5 m.

Kapan perlindungan dibutuhkan?

Dalam kasus apa masuk akal untuk memikirkan proteksi petir pohon? Kami mencantumkan faktor-faktor yang menjadi dasar keputusan semacam itu dapat direkomendasikan.

Pohon itu tumbuh di area terbuka atau terlihat lebih tinggi dari pohon, bangunan, struktur, dan bentang alam di sekitarnya. Objek yang mendominasi ketinggian lebih mungkin disambar petir.

Daerah dengan aktivitas badai petir yang tinggi. Dengan frekuensi badai petir yang tinggi, kemungkinan pohon merusak (serta benda lain) meningkat. Karakteristik utama aktivitas badai petir adalah jumlah rata-rata tahunan jam badai petir, serta kepadatan spesifik rata-rata sambaran petir ke tanah (jumlah rata-rata tahunan sambaran petir per 1 km²) dari permukaan bumi. Indikator terakhir digunakan untuk menghitung perkiraan jumlah sambaran petir suatu objek (termasuk pohon) per tahun. Misalnya, dalam kasus area dengan durasi rata-rata 40–60 jam badai petir per tahun (khususnya, beberapa area di wilayah Moskow), dapat diperkirakan bahwa pohon setinggi 25 m akan rusak setiap 20 tahun sekali.

Lokasi situs dekat badan air, mata air bawah tanah, kelembaban tanah yang tinggi di situs . Pengaturan ini semakin meningkatkan risiko pohon tersambar petir.

Sebuah pohon tinggi tumbuh pada jarak tiga meter atau kurang dari gedung. Susunan pohon ini tidak mempengaruhi kemungkinan tersambar petir. Namun, tumbangnya pohon-pohon yang terletak di dekat bangunan menimbulkan ancaman yang signifikan baik bagi bangunan itu sendiri maupun bagi orang-orang di dalamnya. Pada saat yang sama, risiko kerusakan bangunan oleh pelepasan samping meningkat, risiko kerusakan atap ketika pohon tumbang sangat tinggi, dan jika terbakar, api dapat menyebar ke bangunan.

Cabang-cabang pohon menggantung di atas atap bangunan, menyentuh dinding, kanopi, talang, atau elemen dekoratif fasad. Dalam hal ini, risiko kerusakan bangunan, kebakaran, dan pemindahan debit ke rumah juga meningkat.

Pohon itu termasuk spesies yang sering atau sering disambar petir. . Beberapa spesies pohon lebih mungkin disambar petir daripada yang lain. Pohon ek paling sering terkena petir.

Akar pohon yang tumbuh di dekat bangunan dapat bersentuhan dengan fondasi bawah tanah atau komunikasi yang cocok untuk rumah. Dalam hal ini, ketika pohon disambar petir, kemungkinan pelepasan "melayang" ke dalam bangunan atau kerusakan komunikasi (misalnya, sensor sistem irigasi dan jaringan listrik) meningkat.

Spesialis proteksi petir bangunan merekomendasikan pemasangan penangkal petir yang berdiri sendiri, sedangkan pada jarak 3 hingga 10 m ada pohon yang ketinggiannya sesuai dan parameter lain untuk memasang penangkal petir dan konduktor turun. Memasang tiang terpisah bisa sangat mahal. Bagi banyak pemilik rumah pedesaan, tiang seperti itu juga secara estetika tidak dapat diterima. Dan akhirnya, menempatkan tiang di kawasan hutan sedemikian rupa sehingga akar pohon tidak rusak selama konstruksi atau stretch mark tidak mengganggu pergerakan orang bisa sangat sulit.

Paparan pohon yang tidak dilindungi dari beberapa spesies
(dari standar ANSI A 300, bagian 4)

Prinsip operasi

Prinsip operasi sistem proteksi petir adalah bahwa pelepasan petir "dicegat" oleh penangkal petir, dilakukan dengan aman oleh konduktor bawah dan ditransmisikan ke lapisan tanah yang dalam melalui pentanahan.

Komponen sistem penangkal petir pohon adalah: penangkal petir (satu atau lebih), konduktor bawah tanah, konduktor bawah tanah dan sistem pentanahan yang terdiri dari beberapa batang atau pelat pentanahan.

Saat mengembangkan skema proteksi petir kami sendiri, kami dihadapkan pada kebutuhan untuk menggabungkan standar domestik untuk proteksi petir bangunan dan struktur dan standar Barat yang mengatur proteksi petir pohon. Kebutuhan akan kombinasi semacam itu disebabkan oleh fakta bahwa dalam standar domestik saat ini tidak ada rekomendasi untuk memasang sistem proteksi petir pada pohon, dan resep yang lebih lama mencakup instruksi yang mengancam kesehatan pohon. Pada saat yang sama, standar Amerika ANSI A 300, yang berisi informasi terperinci tentang pemasangan sistem pada pohon dan prinsip-prinsip pemasangan dan pemeliharaannya, memberlakukan persyaratan yang lebih rendah pada keamanan listrik sistem dibandingkan dengan standar domestik.

Komponen penangkal petir terbuat dari tembaga atau stainless steel. Pada saat yang sama, untuk menghindari korosi, hanya satu bahan yang dipilih yang digunakan di semua sambungan dan kontak antara elemen konduktif. Namun, saat menggunakan tembaga, penggunaan pengencang perunggu diperbolehkan. Komponen tembaga lebih mahal, tetapi memiliki konduktivitas yang lebih besar, memungkinkan komponen menjadi lebih kecil, kurang terlihat, dan mengurangi biaya pemasangan sistem.

Menurut statistik, setiap kebakaran ketujuh di daerah pedesaan dimulai karena sambaran petir, dalam hal jumlah kematian terdaftar yang disebabkan oleh bencana alam, petir menempati urutan kedua, kedua setelah banjir.

Komponen sistem

Penangkal petir adalah tabung logam yang ujungnya tertutup. Konduktor turun memasuki penangkal petir dan melekat padanya dengan baut.

Untuk pohon dengan mahkota yang menyebar, pantograf tambahan terkadang diperlukan, karena dalam hal ini pelepasan petir dapat menyerang cabang atau puncak yang jauh dari penangkal petir. Jika sistem pendukung cabang mekanis berdasarkan kabel logam dipasang di pohon, maka itu juga harus diarde saat melakukan proteksi petir. Untuk melakukan ini, dengan bantuan kontak yang dibaut, konduktor turun tambahan dipasang padanya. Harus diingat bahwa kontak langsung tembaga dengan kabel galvanis tidak dapat diterima, karena menyebabkan korosi.

Konduktor bawah dari penangkal petir dan kontak tambahan dihubungkan menggunakan kontak penjepit khusus atau koneksi yang dibaut. Sesuai dengan standar ANSI A 300 untuk proteksi petir pohon, konduktor bawah digunakan dalam bentuk kabel baja semua logam dari berbagai tenun. Sesuai dengan standar domestik, penampang efektif minimum dari konduktor bawah yang terbuat dari tembaga adalah 16 mm², penampang efektif minimum dari konduktor bawah yang terbuat dari baja adalah 50 mm. Saat melakukan konduktor turun pada kayu, perlu untuk menghindari tikungan tajamnya. Tidak diperbolehkan menekuk konduktor pada sudut kurang dari 900, jari-jari kelengkungan tikungan tidak boleh kurang dari 20 cm.

Konduktor bawah melekat pada bagasi dengan klip logam, terkubur di kayu bagasi selama beberapa sentimeter. Bahan klem tidak boleh menyebabkan korosi kontak saat dihubungkan ke konduktor bawah. Tidak mungkin untuk memperbaiki konduktor bawah dengan mengikatnya ke pohon dengan kawat, karena pertumbuhan radial batang akan menyebabkan cedera cincin dan pengeringan pohon. Fiksasi kaku konduktor bawah pada permukaan batang (dengan staples) akan menyebabkan mereka tumbuh ke dalam batang, mengurangi daya tahan dan keamanan sistem dan pengembangan busuk batang yang luas. Pilihan terbaik untuk memasang sistem adalah memasang klem dinamis. Dalam hal ini, ketika diameter batang meningkat, pemegang dengan kabel secara otomatis ditekan ke ujung batang oleh tekanan jaringan kayu. Perlu dicatat bahwa pendalaman pin klem beberapa sentimeter ke dalam kayu dan enkapsulasi parsial selanjutnya oleh kayu praktis tidak menyebabkan kerusakan padanya.

Konduktor turun turun ke poros ke dasarnya dan masuk jauh ke dalam parit.

Kedalaman parit minimum untuk bagian bawah tanah dari konduktor bawah, yang ditentukan oleh standar ANSI A 300, adalah 20 cm Parit digali secara manual sambil mempertahankan jumlah akar maksimum. Dalam kasus di mana kerusakan akar sangat tidak diinginkan, peralatan khusus harus digunakan untuk membuat parit. Misalnya, pisau udara adalah alat kompresor yang dirancang untuk melakukan pekerjaan tanah di zona dekat batang pohon. Perangkat ini, menggunakan aliran udara terfokus yang kuat, mampu menghilangkan partikel tanah tanpa merusak akar pohon yang paling tipis sekalipun.

Jenis dan parameter perangkat pembumian dan jarak yang harus diperpanjang oleh konduktor bawah ditentukan oleh sifat-sifat tanah. Hal ini disebabkan oleh kebutuhan untuk mengurangi tahanan impuls arde ke level yang diperlukan - hambatan listrik terhadap penyebaran pulsa arus listrik dari elektroda arde. Menurut standar domestik, di tempat-tempat yang sering dikunjungi orang, hambatan semacam itu tidak boleh melebihi 10 ohm. Nilai tahanan arde ini harus mengecualikan gangguan percikan arus dari konduktor bawah tanah dan elektroda arde ke permukaan tanah dan, oleh karena itu, mencegah sengatan listrik pada orang, bangunan, dan komunikasi. Indikator utama tanah, yang menentukan pilihan skema pentanahan, adalah resistivitas tanah - resistansi antara dua permukaan 1 m³ bumi ketika arus melewatinya.

Semakin tinggi resistivitas tanah, semakin luas sistem pentanahan harus untuk memastikan aliran muatan listrik yang aman. Pada tanah dengan resistivitas rendah - hingga 300 ohm (lempung, tanah liat, lahan basah), sebagai aturan, sistem pentanahan dari dua batang pentanahan vertikal yang dihubungkan oleh konduktor turun digunakan. Jarak antar batang minimal 5 m. Panjang batang 2,5–3 m, ujung atas batang diperdalam 0,5 m.

Pada tanah dengan nilai resistivitas tinggi (lempung berpasir, pasir, kerikil), sistem pentanahan multi-balok digunakan. Saat membatasi kemungkinan kedalaman pembumian, pelat pembumian digunakan. Untuk kenyamanan inspeksi dan pengujian keandalan pembumian, sumur kecil dipasang di atas elemen pembumian.

Resistivitas tanah bukanlah nilai yang konstan, nilainya sangat tergantung pada kelembaban tanah. Oleh karena itu, pada musim kemarau, keandalan pentanahan dapat menurun. Beberapa metode digunakan untuk mencegah hal ini. Pertama, batang tanah ditempatkan di zona irigasi bila memungkinkan. Kedua, bagian atas batang dikubur 0,5 m di bawah permukaan tanah (tanah 0,5 m paling atas paling rentan mengering). Ketiga, jika perlu, bentonit ditambahkan ke tanah - komponen penahan kelembaban alami. Bentonit adalah partikel tanah liat mineral koloid kecil, ruang pori yang mempertahankan kelembaban dengan baik dan menstabilkan kelembaban tanah.

Kayu hidup yang jenuh air, terikat pada lapisan tanah yang dalam dan resistans rendah, sering kali merupakan penangkal petir alami yang diarde dengan baik.

Kesalahan Umum

Dalam praktik rumah tangga, proteksi petir pohon jarang digunakan, dan dalam kasus di mana hal itu dilakukan, sejumlah kesalahan serius dibuat selama konstruksinya. Jadi, sebagai penangkal petir, biasanya, batang logam digunakan, dipasang di pohon dengan kawat atau lingkaran logam. Opsi pemasangan ini menyebabkan cedera cincin serius pada batang, yang pada akhirnya menyebabkan pohon benar-benar kering. Bahaya tertentu juga diwakili oleh masuknya konduktor ke bawah ke dalam batang pohon, yang menyebabkan munculnya luka memanjang terbuka yang luas pada batang.

Karena pemasangan penangkal petir pada pohon dilakukan oleh tukang listrik, biasanya mereka menggunakan hafs (kucing) untuk memanjat pohon - sepatu bot dengan paku logam yang menyebabkan cedera serius pada pohon.

Sayangnya, fitur mahkota pohon juga diabaikan: sebagai aturan, kebutuhan untuk memasang beberapa penangkal petir pada pohon multi-top dengan mahkota lebar tidak diperhitungkan, cacat struktural pada percabangan pohon juga tidak diperhitungkan. akun, yang sering menyebabkan putus dan jatuhnya bagian atas dengan penangkal petir yang dipasang.

Perlindungan petir pohon tidak bisa disebut praktik umum. Indikasi penerapannya cukup jarang terjadi di daerah dengan aktivitas badai petir sedang. Namun demikian, dalam kasus di mana proteksi petir pohon diperlukan, implementasi yang benar sangat penting. Saat merancang dan memasang sistem seperti itu, penting untuk memperhitungkan tidak hanya keandalan penangkal petir itu sendiri, tetapi juga keamanan sistem untuk pohon yang dilindungi.

Keandalan akhir proteksi petir akan bergantung pada pilihan bahan, kontak dan pentanahan yang tepat, dan pada stabilitas pohon itu sendiri. Hanya dengan mempertimbangkan fitur struktur mahkota, pertumbuhan radial, lokasi sistem akar pohon, dimungkinkan untuk membuat sistem proteksi petir yang andal yang tidak menyebabkan cedera berbahaya pada pohon, yang berarti tidak menciptakan risiko yang tidak perlu bagi orang-orang yang tinggal di dekatnya.

Hujan badai - fenomena atmosfer di mana pelepasan listrik terjadi di dalam awan atau di antara awan dan permukaan bumi - kilat, disertai guntur. Biasanya, badai petir terbentuk di awan cumulonimbus yang kuat dan dikaitkan dengan hujan lebat, hujan es, dan badai.

Badai petir adalah salah satu fenomena alam paling berbahaya bagi manusia: dalam hal jumlah kematian yang tercatat, hanya banjir yang menyebabkan kerugian manusia yang lebih besar.

Hujan badai

Pada saat yang sama, sekitar satu setengah ribu badai petir beroperasi di Bumi, intensitas rata-rata pelepasan diperkirakan 100 kilat per detik. Badai petir tidak merata di atas permukaan planet ini.

Distribusi pelepasan petir di atas permukaan bumi

Ada kira-kira sepuluh kali lebih sedikit badai petir di atas lautan daripada di atas benua. Sekitar 78% dari semua pelepasan petir terkonsentrasi di zona tropis dan khatulistiwa (dari 30° Lintang Utara hingga 30° Lintang Selatan). Aktivitas badai petir maksimum terjadi di Afrika Tengah. Praktis tidak ada badai petir di wilayah kutub Arktik dan Antartika dan di atas kutub. Intensitas badai petir mengikuti matahari: badai petir maksimum terjadi pada musim panas (di lintang tengah) dan pada siang hari pada jam-jam sore. Badai petir minimum yang tercatat terjadi sebelum matahari terbit. Badai petir juga dipengaruhi oleh fitur geografis daerah tersebut: pusat badai petir yang kuat terletak di daerah pegunungan Himalaya dan Cordillera.

Tahap pengembangan awan petir

Kondisi yang diperlukan untuk pembentukan awan petir adalah adanya kondisi untuk perkembangan konveksi atau mekanisme lain yang menciptakan aliran uap air yang cukup untuk pembentukan presipitasi, dan adanya struktur di mana beberapa partikel awan berada di dalamnya. keadaan cair, dan ada pula yang dalam keadaan es. Konveksi yang mengarah ke pengembangan badai petir terjadi dalam kasus-kasus berikut:

Dengan pemanasan yang tidak merata dari lapisan permukaan udara di atas permukaan dasar yang berbeda. Misalnya, di atas permukaan air dan tanah karena perbedaan suhu air dan tanah. Di kota-kota besar, intensitas konveksi jauh lebih tinggi daripada di sekitar kota.

Ketika udara hangat naik atau digantikan oleh udara dingin di front atmosfer. Konveksi atmosfer di front atmosfer jauh lebih intens dan lebih sering daripada dengan konveksi intramassa. Seringkali, konveksi frontal berkembang secara bersamaan dengan awan nimbostratus dan curah hujan yang luas, yang menutupi awan cumulonimbus yang dihasilkan.

Ketika udara naik di daerah pegunungan. Bahkan ketinggian kecil di medan menyebabkan peningkatan pembentukan awan (karena konveksi paksa). Pegunungan tinggi menciptakan kondisi yang sangat sulit untuk pengembangan konveksi dan hampir selalu meningkatkan frekuensi dan intensitasnya.

Semua awan petir, terlepas dari jenisnya, berturut-turut melalui tahapan awan kumulus, tahap awan petir yang matang, dan tahap pembusukan.

Klasifikasi awan petir

Pada suatu waktu, badai petir diklasifikasikan menurut tempat mereka diamati, seperti lokal, frontal, atau orografis. Sekarang lebih umum untuk mengklasifikasikan badai petir menurut karakteristik badai itu sendiri, dan karakteristik ini terutama tergantung pada lingkungan meteorologi di mana badai itu berkembang.

Kondisi utama yang diperlukan untuk pembentukan awan petir adalah keadaan ketidakstabilan atmosfer, yang membentuk arus ke atas. Tergantung pada besarnya dan kekuatan aliran tersebut, awan guntur dari berbagai jenis terbentuk.

awan sel tunggal

Awan cumulonimbus sel tunggal berkembang pada hari-hari dengan angin lemah di medan barik dengan gradien rendah. Mereka juga disebut intramassa atau badai lokal. Mereka terdiri dari sel konvektif dengan aliran ke atas di bagian tengahnya. Mereka dapat mencapai intensitas petir dan hujan es dan dengan cepat runtuh dengan curah hujan. Dimensi awan semacam itu adalah: melintang - 5-20 km, vertikal - 8-12 km, harapan hidup - sekitar 30 menit, terkadang - hingga 1 jam. Perubahan cuaca yang serius setelah badai petir tidak terjadi.

Siklus hidup awan sel tunggal

Badai petir dimulai dengan cuaca cerah awan kumulus (Cumulus humilis). Dalam kondisi yang menguntungkan, awan kumulus yang dihasilkan tumbuh dengan cepat baik dalam arah vertikal maupun horizontal, sedangkan aliran naik terletak hampir di seluruh volume awan dan meningkat dari 5 m/s menjadi 15-20 m/s. Hilir sangat lemah. Udara ambien secara aktif menembus ke dalam awan karena pencampuran di batas dan atas awan. Awan masuk ke tahap Cumulus mediocris. Tetesan air terkecil yang terbentuk sebagai hasil kondensasi di awan seperti itu bergabung menjadi yang lebih besar, yang terbawa oleh aliran ke atas yang kuat. Awan masih homogen, terdiri dari tetesan air yang ditahan oleh aliran naik - curah hujan tidak turun. Di bagian atas awan, ketika partikel air memasuki zona suhu negatif, tetesan secara bertahap mulai berubah menjadi kristal es. Awan tersebut menjadi awan kumulus yang kuat (Cumulus congestus). Komposisi awan yang bercampur menyebabkan pembesaran elemen awan dan penciptaan kondisi untuk presipitasi. Awan seperti ini disebut awan cumulonimbus (Cumulonimbus) atau awan cumulonimbus gundul (Cumulonimbus calvus). Aliran vertikal di dalamnya mencapai 25 m/s, dan ketinggian puncak mencapai 7-8 km.

Partikel presipitasi yang menguap mendinginkan udara di sekitarnya, yang menyebabkan peningkatan lebih lanjut dalam aliran udara ke bawah. Pada tahap kedewasaan, arus udara naik dan turun ada di awan secara bersamaan.

Pada tahap peluruhan, awan didominasi oleh downdraft, yang secara bertahap menutupi seluruh awan.

Badai petir cluster multisel

Skema struktur badai petir multi-sel

Ini adalah jenis badai petir yang paling umum yang terkait dengan gangguan skala meso (memiliki skala 10 hingga 1000 km). Sebuah cluster multi-sel terdiri dari sekelompok sel badai bergerak sebagai satu unit, meskipun setiap sel dalam cluster berada pada tahap yang berbeda dalam pengembangan awan petir. Sel badai petir yang matang biasanya terletak di bagian tengah cluster, sedangkan sel yang membusuk terletak di sisi bawah angin cluster. Mereka memiliki dimensi melintang 20-40 km, puncaknya sering naik ke tropopause dan menembus stratosfer. Badai petir cluster multi-sel dapat menghasilkan hujan es, hujan, dan badai yang relatif lemah. Setiap sel individu dalam cluster multi-sel berada dalam keadaan matang selama sekitar 20 menit; cluster multi-sel itu sendiri bisa ada selama beberapa jam. Jenis badai petir ini biasanya lebih intens daripada badai petir sel tunggal, tetapi jauh lebih lemah daripada badai petir supercell.

Badai petir garis multisel (garis squall)

Badai petir garis multisel adalah garis badai petir dengan embusan angin yang panjang dan berkembang dengan baik di garis depan depan. Garis badai mungkin terus menerus atau mengandung celah. Garis multisel yang mendekat tampak seperti dinding awan gelap, biasanya menutupi cakrawala dari sisi barat (di belahan bumi utara). Sejumlah besar arus udara naik/turun yang berdekatan memungkinkan untuk memenuhi syarat kompleks badai petir ini sebagai badai petir multi-sel, meskipun struktur badai petirnya sangat berbeda dari badai petir cluster multi-sel. Garis squall dapat menghasilkan hujan es besar dan hujan lebat, tetapi mereka lebih dikenal sebagai sistem yang menciptakan downdrafts yang kuat. Garis squall memiliki sifat yang mirip dengan front dingin, tetapi merupakan hasil lokal dari aktivitas badai petir. Seringkali garis badai terjadi di depan front yang dingin. Pada citra radar, sistem ini menyerupai busur melengkung (bow echo). Fenomena ini khas untuk Amerika Utara, di Eropa dan wilayah Eropa Rusia lebih jarang diamati.

Badai petir supercell

Struktur vertikal dan horizontal dari awan supercell

Supercell adalah awan petir yang paling terorganisir. Awan supercell relatif jarang, tetapi menimbulkan ancaman terbesar bagi kesehatan manusia dan kehidupan dan properti. Awan supercell mirip dengan awan sel tunggal yang keduanya memiliki zona updraft yang sama. Perbedaannya adalah ukuran sel sangat besar: diameter sekitar 50 km, ketinggian 10-15 km (seringkali batas atas menembus stratosfer) dengan landasan setengah lingkaran tunggal. Kecepatan aliran menaik di awan supercell jauh lebih tinggi daripada di jenis awan guntur lainnya: hingga 40–60 m/s. Ciri utama yang membedakan awan supercell dengan jenis awan lainnya adalah adanya rotasi. Sebuah updraft berputar di awan supercell (disebut dalam terminologi radar) mesocyclone), menciptakan peristiwa cuaca ekstrem, seperti raksasa hujan es(diameter lebih dari 5 cm), angin kencang hingga 40 m/dtk, dan tornado perusak yang kuat. Kondisi lingkungan merupakan faktor utama dalam pembentukan awan supercell. Diperlukan ketidakstabilan konveksi udara yang sangat kuat. Suhu udara di dekat tanah (sebelum badai petir) harus +27 ... +30 dan lebih tinggi, tetapi kondisi utama yang diperlukan adalah angin dengan arah variabel, yang menyebabkan rotasi. Kondisi seperti itu dicapai dengan wind shear di troposfer tengah. Curah hujan yang terbentuk di updraft dibawa sepanjang tingkat atas awan oleh aliran yang kuat ke zona downdraft. Dengan demikian, zona aliran naik dan turun dipisahkan dalam ruang, yang memastikan kehidupan awan untuk jangka waktu yang lama. Biasanya ada hujan ringan di tepi depan awan supercell. Hujan deras terjadi di dekat zona updraft, sedangkan curah hujan terberat dan hujan es besar jatuh ke timur laut zona updraft utama. Kondisi paling berbahaya terjadi di dekat area updraft utama (biasanya dipindahkan ke bagian belakang badai petir).

sel super (Bahasa inggris) super dan sel- sel) - sejenis badai petir, ditandai dengan adanya mesocyclone - arus ke atas yang berputar kuat. Karena alasan ini, badai semacam itu kadang-kadang disebut badai petir yang berputar. Dari empat jenis badai petir menurut klasifikasi Barat (supercell, squalline, multicell dan singlecell), supercell adalah yang paling jarang terjadi dan dapat menimbulkan bahaya terbesar. Supercell sering diisolasi dari badai petir lainnya dan dapat memiliki rentang depan hingga 32 kilometer.

Supercell saat matahari terbenam

Supersell sering dibagi menjadi tiga jenis: klasik; curah hujan rendah (LP); dan curah hujan tinggi (HP). Supersel tipe LP cenderung terbentuk di iklim yang lebih kering seperti lembah dataran tinggi Amerika Serikat, sedangkan supersel tipe HP lebih umum di iklim yang lebih basah. Supercells dapat terjadi di mana saja di dunia jika kondisi cuaca tepat untuk mereka terbentuk, tetapi mereka paling umum di US Great Plains, sebuah daerah yang dikenal sebagai Lembah Tornado. Mereka juga dapat diamati di dataran di Argentina, Uruguay dan Brasil selatan.

Karakteristik fisik awan petir

Studi udara dan radar menunjukkan bahwa sel badai petir tunggal biasanya mencapai ketinggian sekitar 8-10 km dan hidup selama sekitar 30 menit. Badai petir yang terisolasi biasanya terdiri dari beberapa sel dalam berbagai tahap perkembangan dan berlangsung selama satu jam. Badai petir besar dapat mencapai diameter puluhan kilometer, puncaknya dapat mencapai ketinggian lebih dari 18 km, dan dapat berlangsung selama berjam-jam.

Hulu dan hilir

Updraft dan downdraft dalam badai petir yang terisolasi biasanya memiliki diameter 0,5 hingga 2,5 km dan ketinggian 3 hingga 8 km. Terkadang diameter updraft bisa mencapai 4 km. Di dekat permukaan bumi, diameter sungai biasanya bertambah, dan kecepatannya berkurang dibandingkan dengan sungai yang terletak di atas. Kecepatan karakteristik updraft terletak pada kisaran 5 sampai 10 m/s dan mencapai 20 m/s di bagian atas badai petir besar. Pesawat penelitian yang terbang melalui awan petir pada ketinggian 10.000 m mencatat kecepatan angin ke atas lebih dari 30 m/s. Updrafts terkuat diamati dalam badai terorganisir.

Kebingungan

Sebelum badai Agustus 2010 di Gatchina

Dalam beberapa badai petir, terjadi downdraft yang intens, menciptakan angin yang merusak di permukaan bumi. Tergantung pada ukurannya, hilir seperti itu disebut kesibukan atau badai mikro. Badai dengan diameter lebih dari 4 km dapat menghasilkan angin hingga 60 m/s. Microsquall lebih kecil, tetapi menghasilkan kecepatan angin hingga 75 m/s. Jika badai petir yang menghasilkan squall terbentuk dari udara yang cukup hangat dan lembab, maka microsquall akan disertai dengan hujan lebat. Namun, jika badai petir terbentuk dari udara kering, curah hujan dapat menguap selama musim gugur (pita hujan udara atau virga) dan microsquall akan kering. Downdraft adalah bahaya serius bagi pesawat, terutama saat lepas landas atau mendarat, karena menciptakan angin di dekat tanah dengan perubahan kecepatan dan arah yang tiba-tiba.

Perkembangan vertikal

Secara umum, awan konvektif aktif akan naik sampai kehilangan daya apungnya. Hilangnya daya apung disebabkan oleh beban yang diciptakan oleh presipitasi yang terbentuk di lingkungan berawan, atau bercampur dengan udara dingin kering di sekitarnya, atau kombinasi dari kedua proses ini. Pertumbuhan awan juga dapat dihentikan dengan memblokir lapisan inversi, yaitu lapisan di mana suhu udara naik dengan ketinggian. Awan petir biasanya mencapai ketinggian sekitar 10 km, tetapi terkadang mencapai ketinggian lebih dari 20 km. Ketika kadar air dan ketidakstabilan atmosfer tinggi, maka dengan angin yang menguntungkan, awan dapat tumbuh ke tropopause, lapisan yang memisahkan troposfer dari stratosfer. Tropopause dicirikan oleh suhu yang tetap mendekati konstan dengan meningkatnya ketinggian dan dikenal sebagai wilayah dengan stabilitas tinggi. Segera setelah aliran udara ke atas mulai mendekati stratosfer, segera udara di puncak awan menjadi lebih dingin dan lebih berat daripada udara di sekitarnya, dan pertumbuhan puncak awan berhenti. Ketinggian tropopause tergantung pada garis lintang daerah dan musim dalam setahun. Ini bervariasi dari 8 km di daerah kutub hingga 18 km dan lebih tinggi di dekat khatulistiwa.

Ketika awan kumulus mencapai lapisan pemblokiran inversi tropopause, ia mulai menyebar ke luar dan membentuk karakteristik "landasan" awan petir. Angin yang bertiup pada ketinggian landasan biasanya menerbangkan material awan ke arah angin.

Pergolakan

Sebuah pesawat terbang melalui awan petir (dilarang terbang ke awan cumulonimbus) biasanya mengalami turbulensi yang melemparkan pesawat ke atas, ke bawah dan ke samping di bawah pengaruh aliran awan turbulen. Turbulensi atmosfer menciptakan perasaan tidak nyaman bagi awak pesawat dan penumpang dan menyebabkan tekanan yang tidak diinginkan pada pesawat. Turbulensi diukur dalam satuan yang berbeda, tetapi lebih sering didefinisikan dalam satuan g - percepatan jatuh bebas (1g = 9,8 m / s 2). Kesibukan satu g menciptakan turbulensi yang berbahaya bagi pesawat. Di bagian atas badai petir yang intens, akselerasi vertikal hingga tiga g dicatat.

Gerakan badai petir

Kecepatan dan pergerakan awan petir bergantung pada arah bumi, terutama oleh interaksi arus naik dan turun awan dengan aliran udara pembawa di lapisan tengah atmosfer tempat terjadinya badai petir. Kecepatan pergerakan badai petir yang terisolasi biasanya di urutan 20 km/jam, tetapi beberapa badai petir bergerak lebih cepat. Dalam situasi ekstrem, awan petir dapat bergerak dengan kecepatan 65–80 km/jam selama melewati front dingin aktif. Di sebagian besar badai petir, saat sel badai petir lama menghilang, sel badai petir baru muncul secara berurutan. Dengan angin yang lemah, sel individu dapat menempuh jarak yang sangat pendek selama hidupnya, kurang dari dua kilometer; namun, dalam badai petir yang lebih besar, sel-sel baru dipicu oleh aliran ke bawah yang mengalir keluar dari sel dewasa, memberikan kesan gerakan cepat yang tidak selalu sesuai dengan arah angin. Dalam badai petir multi-sel besar, ada pola di mana sel baru terbentuk di sebelah kanan aliran udara pembawa di Belahan Bumi Utara dan di sebelah kiri aliran udara pembawa di Belahan Bumi Selatan.

Energi

Energi yang menggerakkan badai petir adalah panas laten yang dilepaskan ketika uap air mengembun dan membentuk tetesan awan. Untuk setiap gram air yang mengembun di atmosfer, sekitar 600 kalori panas dilepaskan. Ketika tetesan air membeku di bagian atas awan, sekitar 80 kalori lebih banyak per gram dilepaskan. Energi panas laten yang dilepaskan sebagian diubah menjadi energi kinetik aliran ke atas. Perkiraan kasar dari total energi badai petir dapat dibuat dari jumlah total air yang telah diendapkan dari awan. Khas adalah energi orde 100 juta kilowatt-jam, yang kira-kira setara dengan muatan nuklir 20 kiloton (meskipun energi ini dilepaskan dalam volume ruang yang jauh lebih besar dan dalam waktu yang lebih lama). Badai petir multi-sel besar dapat memiliki energi 10 hingga 100 kali lebih banyak.

Downdraft dan front squall

Badai petir yang kuat di depan

Downdraft dalam badai petir terjadi di ketinggian di mana suhu udara lebih rendah dari suhu di ruang sekitarnya, dan aliran ini menjadi lebih dingin ketika partikel es dari presipitasi mulai mencair di dalamnya dan tetesan awan menguap. Udara di downdraft tidak hanya lebih padat dari udara di sekitarnya, tetapi juga membawa momentum sudut horizontal yang berbeda dari udara di sekitarnya. Jika terjadi downdraft, misalnya pada ketinggian 10 km, maka akan mencapai permukaan bumi dengan kecepatan horizontal yang terasa lebih besar dari kecepatan angin di dekat bumi. Di dekat tanah, udara ini dibawa ke depan sebelum badai petir dengan kecepatan lebih besar dari kecepatan seluruh awan. Itulah sebabnya seorang pengamat di darat akan merasakan datangnya badai petir di sepanjang aliran udara dingin bahkan sebelum awan petir itu berada di atas kepala. Perambatan aliran ke bawah di sepanjang tanah membentuk zona dengan kedalaman 500 meter hingga 2 km dengan perbedaan yang jelas antara udara dingin sungai dan udara hangat dan lembab dari mana badai petir terbentuk. Bagian depan badai seperti itu mudah ditentukan oleh peningkatan angin dan penurunan suhu yang tiba-tiba. Dalam lima menit, suhu udara bisa turun 5 °C atau lebih. Badai membentuk gerbang badai yang khas dengan sumbu horizontal, penurunan suhu yang tajam, dan perubahan arah angin.

Dalam kasus ekstrim, badai depan yang diciptakan oleh aliran ke bawah dapat mencapai kecepatan lebih dari 50 m/s dan menyebabkan kerusakan pada rumah dan tanaman. Lebih sering, badai hebat terjadi ketika garis badai petir yang terorganisir berkembang dalam kondisi angin kencang di ketinggian sedang. Pada saat yang sama, orang mungkin berpikir bahwa kerusakan ini disebabkan oleh angin puting beliung. Jika tidak ada saksi mata yang melihat ciri-ciri awan corong angin puting beliung, maka penyebab kerusakannya dapat ditentukan dari sifat kerusakan yang ditimbulkan oleh angin. Dalam tornado, kehancuran memiliki pola melingkar, dan badai petir yang disebabkan oleh downdraft membawa kehancuran terutama dalam satu arah. Cuaca dingin biasanya diikuti oleh hujan. Dalam beberapa kasus, tetesan hujan benar-benar menguap selama musim gugur, menghasilkan badai petir kering. Dalam situasi yang berlawanan, tipikal untuk badai petir multi-sel dan super-sel yang parah, terjadi hujan lebat disertai hujan es, yang menyebabkan banjir bandang.

Tornado

Tornado adalah pusaran skala kecil yang kuat di bawah awan petir dengan sumbu yang kira-kira vertikal tetapi sering melengkung. Perbedaan tekanan 100-200 hPa diamati dari pinggiran ke pusat tornado. Kecepatan angin tornado bisa melebihi 100 m/s, secara teoritis bisa mencapai kecepatan suara. Di Rusia, tornado relatif jarang terjadi, tetapi menyebabkan kerusakan yang sangat besar. Frekuensi tornado tertinggi terjadi di selatan bagian Eropa Rusia.

Livni

Dalam badai petir kecil, puncak lima menit dari curah hujan yang intens dapat melebihi 120 mm/jam, tetapi sisa hujan memiliki urutan besarnya intensitas yang lebih rendah. Badai petir rata-rata menghasilkan sekitar 2.000 meter kubik hujan, tetapi badai petir besar dapat menghasilkan sepuluh kali lebih banyak. Badai petir terorganisir besar yang terkait dengan sistem konvektif skala meso dapat menghasilkan 10 hingga 1000 juta meter kubik presipitasi.

Struktur listrik awan petir

Struktur muatan di awan petir di berbagai wilayah

Distribusi dan pergerakan muatan listrik di dalam dan di sekitar awan petir adalah proses yang kompleks dan terus berubah. Namun demikian, adalah mungkin untuk menyajikan gambaran umum dari distribusi muatan listrik pada tahap kematangan awan. Struktur dipol positif mendominasi, di mana muatan positif berada di atas awan dan muatan negatif di bawahnya di dalam awan. Di dasar awan dan di bawahnya, muatan positif yang lebih rendah diamati. Ion atmosfer, bergerak di bawah aksi medan listrik, membentuk lapisan pelindung di batas awan, menutupi struktur listrik awan dari pengamat eksternal. Pengukuran menunjukkan bahwa dalam berbagai kondisi geografis, muatan negatif utama awan petir terletak di ketinggian dengan suhu sekitar -5 hingga -17 °C. Semakin besar kecepatan updraft di awan, semakin tinggi pusat muatan negatif. Kerapatan muatan ruang berada pada kisaran 1-10 C/km³. Ada proporsi yang signifikan dari badai petir dengan struktur muatan terbalik: - muatan negatif di bagian atas awan dan muatan positif di bagian dalam awan, serta dengan struktur kompleks dengan empat atau lebih zona ruang muatan polaritas yang berbeda.

mekanisme elektrifikasi

Banyak mekanisme telah diusulkan untuk menjelaskan pembentukan struktur listrik awan petir, dan bidang ilmu ini masih merupakan bidang penelitian yang aktif. Hipotesis utama didasarkan pada fakta bahwa jika partikel awan yang lebih besar dan lebih berat sebagian besar bermuatan negatif, dan partikel kecil yang lebih ringan membawa muatan positif, maka pemisahan spasial muatan ruang terjadi karena fakta bahwa partikel besar jatuh pada kecepatan yang lebih tinggi daripada komponen awan kecil. Mekanisme ini umumnya konsisten dengan eksperimen laboratorium, yang menunjukkan transfer muatan yang kuat ketika partikel pelet es (biji-bijian adalah partikel berpori dari tetesan air beku) atau partikel hujan es berinteraksi dengan kristal es dengan adanya tetesan air yang sangat dingin. Tanda dan besarnya muatan yang ditransfer selama kontak bergantung pada suhu udara di sekitarnya dan kandungan air di awan, tetapi juga pada ukuran kristal es, kecepatan tumbukan, dan faktor lainnya. Mungkin juga aksi mekanisme elektrifikasi lainnya. Ketika besarnya volume muatan listrik yang terakumulasi di awan menjadi cukup besar, terjadi pelepasan petir di antara daerah-daerah yang bermuatan berlawanan tanda. Pelepasan juga dapat terjadi antara awan dan tanah, awan dan atmosfer netral, awan dan ionosfer. Dalam badai petir yang khas, dua pertiga hingga 100 persen dari pelepasan adalah pelepasan intracloud, pelepasan antar awan, atau pelepasan awan ke udara. Sisanya adalah pelepasan awan-ke-tanah. Dalam beberapa tahun terakhir, menjadi jelas bahwa petir dapat dimulai secara artifisial di awan, yang dalam kondisi normal tidak masuk ke tahap badai petir. Di awan yang memiliki zona elektrifikasi dan menciptakan medan listrik, petir dapat dipicu oleh gunung, gedung bertingkat, pesawat terbang atau roket yang berada di zona medan listrik kuat.

zarnitsa - kilatan cahaya seketika di cakrawala selama badai petir jauh.

Selama kilat, gemuruh guntur tidak terdengar karena jarak, tetapi Anda dapat melihat kilatan petir, yang cahayanya dipantulkan dari awan cumulonimbus (terutama puncaknya). Fenomena ini diamati dalam kegelapan, terutama setelah tanggal 5 Juli, pada saat panen tanaman biji-bijian, sehingga kilat ditentukan oleh orang-orang hingga akhir musim panas, awal panen, dan kadang-kadang disebut tukang roti.

badai salju

Skema pembentukan badai salju

Badai salju (juga badai salju) adalah badai petir, fenomena meteorologi yang sangat langka yang terjadi di dunia 5-6 kali setahun. Alih-alih hujan deras, salju lebat, hujan beku, atau butiran es jatuh. Istilah ini digunakan terutama dalam ilmu pengetahuan populer dan sastra asing (eng. hujan salju). Dalam meteorologi Rusia profesional, istilah ini tidak ada: dalam kasus seperti itu, ada badai petir dan salju tebal.

Kasus badai petir musim dingin dicatat dalam kronik Rusia kuno: badai petir di musim dingin pada tahun 1383 (ada "petir yang sangat mengerikan dan angin puyuh yang kuat"), pada tahun 1396 (di Moskow pada tanggal 25 Desember "... ada guntur, dan a awan dari negara tengah hari"), pada tahun 1447 (di Novgorod pada 13 November "... pada tengah malam guntur yang mengerikan dan kilat hebat"), pada 1491 (di Pskov pada 2 Januari mereka mendengar guntur).

Karena ketidakpastian yang lengkap dan kekuatan yang sangat besar petir(pelepasan petir), mereka menimbulkan potensi bahaya bagi banyak fasilitas listrik. Ilmu pengetahuan modern telah mengumpulkan sejumlah besar informasi teoretis dan data praktis tentang proteksi petir dan aktivitas petir, dan ini memungkinkan pemecahan masalah serius yang terkait dengan proteksi petir infrastruktur energi industri dan sipil. Artikel ini membahas tentang fisik sifat badai petir dan perilaku petir, yang pengetahuannya akan berguna untuk mengatur proteksi petir yang efektif dan menciptakan sistem terintegrasi untuk pembumian gardu listrik.

Petir alam dan awan badai

Di musim hangat di garis lintang tengah, selama pergerakan topan, dengan kelembaban yang cukup dan arus udara naik yang kuat, pelepasan petir (petir) sering terjadi. Alasan untuk fenomena alam ini terletak pada konsentrasi besar listrik atmosfer (partikel bermuatan) di awan petir, di mana, dengan adanya arus naik, muatan negatif dan positif dipisahkan dengan akumulasi partikel bermuatan di berbagai bagian awan. Saat ini, ada beberapa teori mengenai listrik atmosfer dan elektrifikasi awan petir, sebagai faktor terpenting yang memiliki dampak langsung pada desain dan pembuatan proteksi petir terintegrasi dan pembumian fasilitas listrik.

Menurut konsep modern, pembentukan partikel bermuatan di awan dikaitkan dengan adanya medan listrik di dekat Bumi, yang bermuatan negatif. Di dekat permukaan planet, kuat medan listrik adalah 100 V/m. Nilai ini hampir sama di mana-mana, tidak tergantung pada waktu dan tempat pengukuran. Medan listrik Bumi disebabkan oleh adanya partikel bermuatan bebas di udara atmosfer, yang bergerak secara konstan.

Misalnya, dalam 1 cm3 udara terdapat lebih dari 600 partikel bermuatan positif dan jumlah partikel bermuatan negatif yang sama. Dengan jarak dari permukaan bumi di udara, kepadatan partikel dengan muatan meningkat tajam. Di dekat tanah, konduktivitas listrik udara dapat diabaikan, tetapi sudah pada ketinggian lebih dari 80 km, konduktivitas listrik meningkat dengan faktor 3.000.000.000 (!) dan menjadi sama dengan konduktivitas air tawar. Jika kita menggambar analogi, maka dalam pendekatan pertama, planet kita dapat dibandingkan dengan kapasitor besar dalam bentuk bola.

Dalam hal ini, permukaan bumi dan lapisan udara yang terkonsentrasi pada ketinggian delapan puluh kilometer di atas permukaan bumi diambil sebagai lempeng. Bagian atmosfer setebal 80 km, yang memiliki daya hantar listrik rendah, bertindak sebagai isolator. Tegangan hingga 200 kV muncul di antara pelat kapasitor virtual, dan kekuatan arus dapat mencapai 1.400 A. Kapasitor semacam itu memiliki kekuatan luar biasa - sekitar 300.000 kW (!). Di medan listrik planet ini, pada ketinggian antara 1 dan 8 kilometer dari permukaan bumi, partikel bermuatan mengembun dan badai petir terjadi, yang memperburuk lingkungan elektromagnetik dan merupakan sumber kebisingan impuls dalam sistem energi.

Fenomena badai petir diklasifikasikan menjadi badai frontal dan termal. Pada Gambar. 1 menunjukkan diagram munculnya badai termal. Akibat paparan sinar matahari yang intens, permukaan bumi menjadi hangat. Bagian dari energi panas masuk ke atmosfer dan memanaskan lapisan bawahnya. Massa udara hangat mengembang dan naik lebih tinggi. Sudah di ketinggian dua kilometer, mereka mencapai area bersuhu rendah, di mana terjadi kondensasi uap air dan awan petir terbentuk. Awan ini terdiri dari tetesan air mikroskopis yang membawa muatan. Biasanya, awan petir terbentuk pada hari-hari musim panas di sore hari dan ukurannya relatif kecil.

Badai petir frontal terbentuk dalam kondisi ketika dua aliran udara dengan suhu yang berbeda bertabrakan dengan bagian frontalnya. Aliran udara dengan suhu rendah turun, lebih dekat ke tanah, dan massa udara hangat naik (Gbr. 2). Awan petir terbentuk di ketinggian dengan suhu rendah di mana udara lembab mengembun. Badai petir frontal dapat memiliki cakupan yang cukup besar dan mencakup area yang signifikan.

Pada saat yang sama, lingkungan elektromagnetik latar belakang sangat terdistorsi, menyebabkan kebisingan impuls di jaringan listrik. Front seperti itu bergerak dengan kecepatan 5 hingga 150 km/jam dan lebih banyak lagi. Tidak seperti badai petir termal, badai petir frontal aktif hampir sepanjang waktu dan menimbulkan bahaya serius bagi fasilitas industri yang tidak dilengkapi dengan sistem proteksi petir dan landasan yang efektif. Selama kondensasi di medan listrik udara dingin, tetesan air terpolarisasi terbentuk (Gbr. 3): ada muatan positif di bagian bawah tetesan, dan muatan negatif di bagian atas.

Karena arus udara yang naik, pemisahan tetesan air terjadi: yang lebih kecil naik, dan yang besar jatuh di bawah. Saat tetesan bergerak ke atas, bagian tetesan yang bermuatan negatif menarik muatan positif dan menolak muatan negatif. Akibatnya, tetesan menjadi bermuatan positif. secara bertahap mengumpulkan muatan positif. Tetesan yang jatuh menarik muatan negatif dan menjadi bermuatan negatif saat jatuh.

Pembelahan partikel bermuatan dalam awan petir terjadi dengan cara yang sama: partikel bermuatan positif menumpuk di lapisan atas, dan partikel bermuatan negatif menumpuk di lapisan bawah. Awan petir praktis bukan konduktor, dan karena alasan ini muatan dihemat untuk beberapa waktu. Jika medan listrik awan yang lebih kuat bekerja pada medan listrik "cuaca cerah", maka itu akan mengubah arahnya di lokasi (Gbr. 4).

Distribusi partikel bermuatan dalam massa awan sangat tidak merata:
di beberapa titik, kerapatan memiliki nilai maksimum, dan di titik lain - nilai kecil. Di tempat akumulasi sejumlah besar muatan, medan listrik yang kuat terbentuk dengan kekuatan kritis urutan 25-30 kV / cm, kondisi yang sesuai muncul untuk pembentukan petir. Pelepasan petir seperti percikan yang diamati di celah antara elektroda yang menghantarkan listrik dengan baik.

Ionisasi udara atmosfer

Udara atmosfer terdiri dari campuran gas: nitrogen, oksigen, gas inert, dan uap air. Atom-atom dari gas-gas ini digabungkan menjadi ikatan yang kuat dan stabil, membentuk molekul. Setiap atom adalah inti proton dengan muatan positif. Elektron dengan muatan negatif ("awan elektron") berputar di sekitar nukleus.

Dalam istilah kuantitatif, muatan inti dan muatan total elektron sama satu sama lain. Selama ionisasi, elektron meninggalkan atom (molekul). Dalam proses ionisasi atmosfer, 2 partikel bermuatan terbentuk: ion positif (inti dengan elektron) dan ion negatif (elektron bebas). Seperti banyak fenomena fisik, ionisasi membutuhkan sejumlah energi, yang disebut energi ionisasi udara.

Ketika tegangan yang cukup muncul di lapisan udara yang dibentuk oleh 2 elektroda konduktif, maka semua partikel bermuatan bebas, di bawah pengaruh kekuatan medan listrik, mulai bergerak secara teratur. Massa elektron berkali-kali (10.000 ... 100.000 kali) lebih kecil dari massa inti. Akibatnya, ketika elektron bebas bergerak dalam medan listrik lapisan udara, kecepatan partikel bermuatan ini jauh lebih besar daripada kecepatan inti. Memiliki momentum yang signifikan, elektron dengan mudah melepaskan elektron baru dari molekul, sehingga membuat ionisasi lebih intens. Fenomena ini disebut ionisasi impak (Gbr. 5).

Namun, tidak dalam setiap tumbukan, elektron terlepas dari molekul. Dalam beberapa kasus, elektron bergerak ke orbit yang tidak stabil jauh dari nukleus. Elektron semacam itu menerima sebagian energi dari elektron yang bertabrakan, yang mengarah pada eksitasi molekul (Gbr. 6.).

Periode "kehidupan" molekul yang tereksitasi hanya 10-10 detik, setelah itu elektron kembali ke orbit semula yang lebih stabil energi.

Ketika elektron kembali ke orbit yang stabil, molekul tereksitasi memancarkan foton. Foton, pada gilirannya, dalam kondisi tertentu, dapat mengionisasi molekul lain. Proses ini disebut fotoionisasi (Gbr. 7). Ada juga sumber fotoionisasi lain: sinar kosmik berenergi tinggi, gelombang sinar ultraviolet, radiasi radioaktif, dll. (Gbr. 8).

Sebagai aturan, ionisasi molekul udara terjadi pada suhu tinggi. Saat suhu naik, molekul udara dan elektron bebas yang terlibat dalam gerakan termal (kacau) memperoleh energi yang lebih tinggi dan lebih sering bertabrakan satu sama lain. Hasil dari tumbukan tersebut adalah ionisasi udara, yang disebut ionisasi termal. Namun, proses sebaliknya juga dapat terjadi, ketika partikel bermuatan menetralkan muatannya sendiri (rekombinasi). Dalam proses rekombinasi, emisi foton yang intens dicatat.

Pembentukan pita dan pelepasan korona

Ketika kekuatan medan listrik meningkat ke nilai kritis di celah udara antara pelat bermuatan, ionisasi dampak dapat berkembang, yang sering menjadi penyebab kebisingan impuls frekuensi tinggi. Esensinya adalah sebagai berikut: setelah ionisasi oleh elektron dari satu molekul, muncul dua elektron bebas dan satu ion positif. Tumbukan berikutnya menyebabkan munculnya 4 elektron bebas dan 3 ion dengan muatan positif.

Dengan demikian, ionisasi mengambil karakter seperti longsoran salju, yang disertai dengan pembentukan sejumlah besar elektron bebas dan ion positif (Gbr. 9 dan 10). Ion positif menumpuk di dekat elektroda negatif, dan elektron bermuatan negatif pindah ke elektroda positif.

Dalam proses ionisasi, elektron bebas memperoleh mobilitas yang lebih besar daripada ion, sehingga yang terakhir dapat dianggap sebagai partikel tidak bergerak. Ketika elektron melewati elektroda positif, muatan positif yang tersisa memiliki pengaruh yang kuat pada keadaan medan listrik, sehingga menyebabkan peningkatan kekuatannya. Sejumlah besar foton mempercepat ionisasi udara di dekat anoda dan berkontribusi pada munculnya elektron sekunder (Gbr. 11), yang merupakan sumber longsoran berulang (Gbr. 12).

Longsoran sekunder yang dihasilkan bergerak menuju anoda, di mana muatan positif terkonsentrasi. Elektron bebas menerobos muatan ruang positif, mengarah pada pembentukan saluran yang agak sempit (streamer) di mana plasma berada. Karena konduktivitas yang sangat baik, pita "memperpanjang" anoda, sementara proses pembentukan longsoran elektron bebas dipercepat dan ada peningkatan lebih lanjut dalam kekuatan medan listrik (Gbr. 13 dan 14), bergerak ke arah kepala streamer. Elektron tambahan bercampur dengan ion positif, sekali lagi mengarah pada pembentukan plasma, yang menyebabkan saluran streamer memanjang.

Beras. 13. Peningkatan kuat medan listrik disertai dengan peningkatan fotoionisasi dan menghasilkan longsoran partikel bermuatan baru

Setelah mengisi celah bebas dengan streamer, tahap percikan pelepasan dimulai (Gbr. 15), yang ditandai dengan ionisasi termal ruang yang sangat kuat dan ultrakonduktivitas saluran plasma.

Proses pembentukan pita yang dijelaskan berlaku untuk celah kecil yang dicirikan oleh medan listrik yang seragam. Namun, menurut bentuknya, semua medan listrik dibagi menjadi homogen, sedikit tidak homogen dan sangat tidak homogen:

• Dalam medan listrik yang seragam, intensitas di sepanjang garis gaya ditandai dengan nilai konstan. Sebagai contoh, medan listrik di bagian tengah kapasitor tipe datar.
• Dalam medan yang tidak homogen lemah, nilai intensitas yang diukur sepanjang garis gaya berbeda tidak lebih dari 2 ... 3 kali; medan seperti itu dianggap tidak homogen lemah. Misalnya, medan listrik antara 2 arester berbentuk bola atau medan listrik yang terjadi antara selubung kabel berpelindung dan intinya.
• Medan listrik disebut sangat tidak homogen jika ditandai dengan lompatan kekuatan yang signifikan, yang menyebabkan kerusakan serius pada lingkungan elektromagnetik. Dalam instalasi listrik industri, sebagai suatu peraturan, medan listrik memiliki bentuk yang sangat tidak homogen, yang memerlukan perangkat pemeriksaan untuk kompatibilitas elektromagnetik.

Dalam medan yang sangat tidak homogen, proses ionisasi dikumpulkan di dekat elektroda positif atau negatif. Oleh karena itu, pelepasan tidak dapat mencapai tahap percikan, dan dalam hal ini muatan terbentuk dalam bentuk korona ("pelepasan korona"). Dengan peningkatan lebih lanjut dalam kekuatan medan listrik, pita terbentuk di celah udara dan pelepasan percikan terjadi. Jadi, jika panjang celah satu meter, maka terjadi pelepasan percikan pada kuat medan sekitar 10 kV/cm.

Bentuk pemimpin pelepasan petir

Dengan dimensi celah udara beberapa meter, pita yang terbentuk tidak memiliki konduktivitas yang cukup untuk pengembangan pelepasan penuh. Saat streamer bergerak, pelepasan petir terbentuk, yang mengambil bentuk pemimpin. Bagian saluran, yang disebut pemimpin, diisi dengan partikel terionisasi termal. Di saluran pemimpin, sejumlah besar partikel bermuatan terkonsentrasi, yang kerapatannya jauh lebih tinggi daripada rata-rata untuk streamer. Properti ini memberikan kondisi yang baik untuk pembentukan streamer dan transformasinya menjadi pemimpin.

Beras. Gambar 16. Proses pergerakan pita dan munculnya pemimpin negatif (AB adalah longsoran awal; CD adalah pita yang terbentuk).

Pada Gambar. 16 menunjukkan skema klasik untuk munculnya pemimpin negatif. Aliran elektron bebas bergerak dari katoda ke anoda. Kerucut yang menetas menunjukkan longsoran elektron yang terbentuk, dan lintasan foton yang dipancarkan ditunjukkan sebagai garis bergelombang. Dalam setiap longsoran, tumbukan elektron mengionisasi udara, dan foton yang dihasilkan selanjutnya mengionisasi molekul udara lainnya. Ionisasi mengambil karakter besar dan banyak longsoran bergabung menjadi satu saluran. Kecepatan foton adalah 3*108 m/s, dan kecepatan elektron yang bergerak bebas di bagian depan longsoran adalah 1,5*105 m/s.

Perkembangan streamer lebih cepat daripada kemajuan longsoran elektron. Pada Gambar. 16 menunjukkan bahwa selama perjalanan jarak longsoran pertama AB, saluran streamer dengan ultrakonduktivitas sepanjang keseluruhan terbentuk pada segmen CD. Pita standar bergerak dengan kecepatan rata-rata 106-107 m/s. Jika elektron bebas memiliki konsentrasi yang cukup tinggi, ionisasi termal yang intens terjadi di saluran streamer, yang mengarah pada munculnya pemimpin, struktur linier dengan komponen plasma.

Selama pergerakan pemimpin, pita baru terbentuk di bagian ujungnya, yang kemudian juga masuk ke pemimpin. Pada Gambar. Gambar 17 menunjukkan perkembangan pemimpin negatif di celah udara dengan medan listrik yang tidak homogen: pemimpin bergerak di sepanjang saluran pita (Gbr. 17a); setelah transformasi saluran streamer menjadi pemimpin selesai, longsoran baru muncul.

Beras. 17. Skema pembentukan dan pengembangan pemimpin negatif dalam jangka panjang.

Longsoran elektron bergerak di sepanjang celah udara (Gbr. 17b) dan pita baru terbentuk (Gbr. 17c). Sebagai aturan, pita bergerak di sepanjang lintasan acak. Dengan pembentukan pelepasan petir di celah udara yang diperpanjang, bahkan pada kekuatan medan listrik rendah (dari 1.000 hingga 2.000 V/cm), pemimpin dengan cepat menempuh jarak yang cukup jauh.

Ketika pemimpin mencapai elektroda yang berlawanan, tahap pemimpin pelepasan petir berakhir dan tahap pelepasan terbalik (utama) dimulai. Dalam hal ini, gelombang elektromagnetik merambat dari permukaan bumi melalui saluran pemimpin, yang menyebabkan potensi pemimpin berkurang menjadi nol. Dengan demikian, saluran superkonduktor terbentuk di antara elektroda, yang dilewati oleh pelepasan petir.

Tahapan pengembangan pelepasan petir

Kondisi terjadinya petir terbentuk pada bagian awan petir tersebut, dimana akumulasi partikel bermuatan dan kuat medan listrik telah mencapai nilai ambang batas. Pada titik ini, ionisasi tumbukan berkembang dan longsoran elektron terbentuk, kemudian, di bawah pengaruh ionisasi foto dan termal, pita muncul, yang berubah menjadi pemimpin.

a - tampilan visual; b - karakteristik saat ini.

Panjang petir dari ratusan meter dan dapat mencapai hingga beberapa kilometer (panjang rata-rata pelepasan petir adalah 5 km). Berkat tipe pengembangan pemimpin, petir mampu menempuh jarak yang cukup jauh dalam sepersekian detik. Mata manusia melihat kilat sebagai garis kontinu dari satu atau lebih pita terang berwarna putih, merah muda muda, atau biru terang. Faktanya, pelepasan petir adalah beberapa impuls yang mencakup dua tahap: tahap awal dan tahap pelepasan terbalik.

Pada Gambar. 18 menunjukkan waktu sapuan impuls petir, yang menunjukkan pelepasan tahap pemimpin dari impuls pertama yang berkembang dalam bentuk langkah-langkah. Rata-rata, garis langkah adalah lima puluh meter, dan penundaan antara langkah yang berdekatan mencapai 30-90 s. Kecepatan rambat rata-rata pemimpin adalah 105...106 m/s.

Bentuk bertahap dari pengembangan pemimpin dijelaskan oleh fakta bahwa beberapa waktu diperlukan untuk pembentukan streamer terkemuka (jeda di antara langkah-langkah). Pulsa berikutnya bergerak di sepanjang saluran terionisasi dan memiliki tahap pemimpin berbentuk panah yang diucapkan. Setelah pemimpin mencapai pulsa pertama permukaan bumi, saluran terionisasi muncul, di mana muatan bergerak. Pada saat ini, tahap ke-2 dari pelepasan petir (debit terbalik) dimulai.

Debit utama terlihat dalam bentuk garis terang terus menerus yang menembus ruang antara awan petir dan bumi (petir linier). Setelah pelepasan utama mencapai awan, cahaya saluran plasma berkurang. Fase ini disebut afterglow. Dalam satu pelepasan petir, hingga dua puluh impuls berulang dicatat, dan durasi pelepasan itu sendiri mencapai 1 detik atau lebih.

Dalam empat dari sepuluh kasus, ada beberapa pelepasan petir, yang merupakan penyebab kebisingan impuls di jaringan listrik. Rata-rata, 3 ... 4 impuls dicatat. Sifat pulsa berulang terkait dengan masuknya muatan yang tersisa secara bertahap di awan petir ke saluran plasma.

Tindakan selektif dari pelepasan petir

Ketika saluran pemimpin baru saja mulai berkembang, kekuatan medan listrik di kepalanya ditentukan oleh volume muatan pemimpin dan akumulasi partikel bermuatan massal di bawah awan petir. Arah prioritas pelepasan tergantung pada kekuatan medan listrik maksimum. Pada ketinggian yang cukup besar, arah ini hanya ditentukan oleh saluran pemimpin (Gbr. 19).

Ketika saluran utama pelepasan petir bergerak menuju permukaan bumi, medan listriknya terdistorsi oleh medan bumi dan fasilitas listrik berbasis darat yang masif. Nilai intensitas maksimum dan arah rambat penangkal petir ditentukan oleh muatannya sendiri dan muatan yang terkonsentrasi di tanah, serta pada struktur buatan (Gbr. 20).

Ketinggian H kepala pemimpin di atas permukaan bumi, di mana efek signifikan pada medan listrik pemimpin medan muatan terakumulasi dalam jumlah yang signifikan di tanah dan di fasilitas listrik, yang dapat mengubah arah gerakan pemimpin, disebut ketinggian orientasi debit petir.
Semakin banyak muatan listrik yang berada di saluran leader, maka semakin tinggi pula perubahan lintasan pergerakan petir yang dapat terjadi.

Gambar 21 menunjukkan pergerakan debit utama dari permukaan bumi ke awan petir dan rambatannya menuju bumi (permukaan datar).

Ketika pelepasan petir bergerak menuju struktur tanah bertingkat tinggi (menara atau menara transmisi daya) menuju debit utama yang merambat dari awan petir ke permukaan bumi, counter leader berkembang dari penopang tanah (Gbr. 22.). Dalam hal ini, pelepasan utama terjadi pada titik koneksi pemimpin dan bergerak ke dua arah.

Beras. 22. Pengembangan tahap pemimpin (atas) dan tahap pelepasan utama (bawah) ketika pelepasan petir menyerang penyangga logam

Proses pembentukan petir menunjukkan bahwa lokasi spesifik sambaran petir ditentukan pada tahap pemimpin. Jika ada struktur tanah bertingkat tinggi langsung di bawah awan petir (misalnya, menara televisi atau tiang kabel listrik), maka pemimpin yang muncul akan bergerak menuju tanah di sepanjang jalur terpendek, yaitu menuju pemimpin, yang memanjang ke atas dari struktur tanah.

Berdasarkan pengalaman praktis, dapat disimpulkan bahwa petir paling sering menyambar fasilitas listrik yang memiliki pentanahan yang efisien dan menghantarkan listrik dengan baik. Dengan ketinggian yang sama, petir menyambar benda yang memiliki grounding yang lebih baik dan konduktivitas listrik yang tinggi. Pada ketinggian fasilitas listrik yang berbeda dan jika tanah di sebelahnya juga memiliki resistivitas yang berbeda, petir dapat menyambar fasilitas yang lebih rendah yang terletak di tanah dengan konduktivitas yang lebih baik (Gbr. 23).

Beras. 23. Kerentanan selektif pelepasan petir: tanah dengan konduktivitas listrik tinggi (a); tanah dengan konduktivitas berkurang (b).

Fakta ini dapat dijelaskan dengan fakta bahwa selama pengembangan tahap pemimpin, arus konduksi mengalir di sepanjang jalur dengan konduktivitas yang meningkat, oleh karena itu, di beberapa area, ada konsentrasi muatan yang terkait dengan pemimpin. Akibatnya, pengaruh medan listrik muatan di permukaan bumi terhadap medan listrik pemimpin yang muncul meningkat. Ini menjelaskan selektivitas petir. Biasanya, area tanah dan struktur buatan berbasis tanah dengan konduktivitas tinggi paling sering terpengaruh. Dalam praktiknya, telah ditetapkan bahwa pada saluran listrik tegangan tinggi, sambaran petir tidak lebih dari sepertiga penyangga yang terletak di tempat-tempat yang ditentukan secara ketat.

Teori kerusakan selektif oleh pelepasan petir dari objek terestrial telah menemukan konfirmasi praktis dalam pengaturan proteksi petir dan pembumian fasilitas daya gardu listrik. Daerah-daerah yang dicirikan oleh konduktivitas rendah jauh lebih kecil kemungkinannya untuk disambar petir. pada gambar. 24 menunjukkan medan listrik antara tanah dan awan petir sebelum sambaran petir.

Dengan perubahan bertahap dalam intensitas medan listrik awan petir, konduktivitas tanah memberikan keseimbangan dalam jumlah muatan ketika medan listrik awan berubah. Selama pelepasan petir, kekuatan medan berubah begitu cepat sehingga, karena konduktivitas tanah yang rendah, tidak ada waktu untuk mendistribusikan kembali muatan. Konsentrasi muatan di tempat terpisah menyebabkan peningkatan kekuatan medan listrik antara tempat-tempat karakteristik dan awan petir (Gbr. 25), sehingga pelepasan petir secara selektif menyerang tempat-tempat ini.

Ini dengan jelas menegaskan teori selektivitas pelepasan petir, yang menurutnya, dalam kondisi yang sama, petir selalu jatuh ke tempat-tempat di mana ada peningkatan konduktivitas listrik tanah.

Parameter utama petir

Parameter berikut digunakan untuk mengkarakterisasi arus petir:

• Nilai maksimum impuls arus petir.
• Derajat kecuraman muka arus petir.
• Durasi bagian depan pulsa saat ini.
• Durasi pulsa penuh.

Durasi pulsa arus petir adalah waktu yang diperlukan untuk debit balik untuk melewati jarak antara bumi dan awan petir (20...100 s). Bagian depan pulsa arus petir dalam hal ini berkisar antara 1,5 hingga 10 s.

Durasi rata-rata pulsa arus pelepasan petir memiliki nilai yang sama dengan 50 s. Nilai ini adalah nilai standar untuk impuls arus petir saat menguji kekuatan dielektrik kabel berpelindung: kabel tersebut harus tahan terhadap sambaran petir langsung dan menjaga integritas insulasi. Untuk menguji kekuatan insulasi saat terkena impuls tegangan petir (pengujian diatur oleh GOST 1516.2-76), impuls standar arus tegangan petir diadopsi, ditunjukkan pada Gambar. 26 (untuk memudahkan perhitungan, bagian depan sebenarnya direduksi menjadi bagian depan miring yang setara).

Pada sumbu vertikal sapuan tegangan lebih lonjakan pada tingkat yang sama dengan 0,3 Umax dan 0,9 Umax, titik kontrol ditandai, dihubungkan oleh garis lurus. Perpotongan garis lurus ini dengan sumbu waktu dan garis lurus horizontal yang bersinggungan dengan Umax memungkinkan untuk menentukan durasi pulsa Tf. Impuls petir standar memiliki nilai 1,2/50: di mana Tf=1,2 s, Ti=50 s (durasi pulsa total).

Karakteristik penting lain dari impuls petir adalah laju kenaikan arus tegangan di bagian depan pulsa (kemiringan depan, A * s). Tabel 1 menunjukkan parameter utama pelepasan petir untuk medan datar. Di pegunungan, terjadi penurunan amplitudo osilasi arus petir (hampir dua kali) dibandingkan dengan nilai untuk dataran. Ini dijelaskan oleh fakta bahwa pegunungan lebih dekat ke awan, oleh karena itu, di daerah pegunungan, petir terjadi pada kepadatan partikel bermuatan yang jauh lebih rendah di awan petir, yang mengarah pada penurunan nilai amplitudo arus petir.

Menurut tabel, ketika petir menyambar menara transmisi daya tegangan tinggi, arus besar dihasilkan - lebih dari 200 kA. Namun, pelepasan petir seperti itu yang menyebabkan arus signifikan sangat jarang terjadi: arus di atas 100 kA terjadi tidak lebih dari 2% dari jumlah total pelepasan petir, dan arus di atas 150 kA terjadi dalam kurang dari 0,5% kasus. Distribusi probabilistik dari nilai amplitudo arus petir tergantung pada nilai amplitudo arus ditunjukkan pada Gambar. 27. Sekitar 40% dari semua pelepasan petir memiliki arus yang tidak melebihi 20 kA.

Beras. 28. Kurva distribusi probabilitas (dalam %) kecuraman bagian depan pulsa arus petir. Kurva 1 - untuk area datar; kurva 2 untuk kondisi pegunungan.

Tingkat kebisingan impuls dan tegangan lebih yang muncul di fasilitas daya tergantung pada kecuraman sebenarnya dari bagian depan arus berdenyut dari pelepasan petir. Derajat kecuraman bervariasi pada rentang yang luas dan memiliki korelasi yang lemah dengan nilai amplitudo arus petir. pada gambar. Gambar 28 menunjukkan gambaran distribusi probabilitas tingkat kecuraman impuls frontal arus petir di dataran (kurva 1) dan di pegunungan (kurva 2).

Dampak arus petir

Selama perjalanan arus petir melalui berbagai objek, yang terakhir mengalami pengaruh mekanis, elektromagnetik, dan termal.
Pembangkitan panas yang signifikan dapat merusak konduktor logam kecil (misalnya, sambungan sekering atau kabel telegraf). Untuk menentukan nilai kritis arus petir Im (kA), di mana konduktor meleleh atau bahkan menguap, digunakan rumus berikut

k - koefisien spesifik tergantung pada bahan konduktor (tembaga 300...330, aluminium 200...230, baja 115...440).
Q adalah penampang konduktor, mm2;
tm adalah durasi pulsa arus petir, s.

Bagian terkecil dari konduktor (penangkal petir), yang menjamin keamanannya selama pelepasan petir ke fasilitas listrik, adalah 28 mm2. Pada nilai arus maksimum, konduktor baja dengan penampang yang sama memanas hingga ratusan derajat dalam hitungan mikrodetik, tetapi mempertahankan integritasnya. Saat terkena saluran petir pada bagian logam, mereka dapat meleleh hingga kedalaman 3-4 mm. Putusnya masing-masing kabel pada kabel penangkal petir pada saluran listrik sering terjadi karena overburning oleh pelepasan petir pada titik kontak antara saluran petir dan kabel.

Untuk alasan ini, penangkal petir baja memiliki bagian yang signifikan: kabel penangkal petir harus memiliki penampang setidaknya 35 mm2, dan penangkal petir harus setidaknya 100 mm2. Ledakan dan kebakaran dapat terjadi ketika saluran petir mengenai bahan yang mudah terbakar dan mudah terbakar (kayu, jerami, bahan bakar dan pelumas, bahan bakar gas, dll.). Efek mekanis dari arus pelepasan petir dimanifestasikan dalam penghancuran struktur kayu, batu bata dan batu, di mana tidak ada proteksi petir dan pembumian penuh.

Pemisahan tiang transmisi listrik kayu dijelaskan oleh fakta bahwa arus petir, yang bergerak melalui struktur internal kayu, menghasilkan pelepasan uap air yang melimpah, yang memecah serat kayu dengan tekanannya. Dalam cuaca hujan, kayu membelah lebih sedikit daripada di cuaca kering. Karena kayu basah dicirikan oleh konduktivitas yang lebih baik, oleh karena itu, arus petir melewati terutama di sepanjang permukaan kayu, tanpa menyebabkan kerusakan signifikan pada struktur kayu.

Selama pelepasan petir, potongan-potongan kayu setebal tiga sentimeter dan lebar hingga lima sentimeter sering pecah dari tiang kayu, dan dalam beberapa kasus petir membelah rak dan lintasan tiang yang tidak dilengkapi dengan pentanahan menjadi dua. Dalam hal ini, elemen logam isolator (baut dan kait) terbang keluar dari tempatnya dan jatuh ke tanah. Suatu kali sambaran petir begitu kuat sehingga poplar besar setinggi sekitar 30 m berubah menjadi tumpukan serpihan kecil.

Melewati celah sempit dan bukaan kecil, pelepasan petir menghasilkan kerusakan yang signifikan. Misalnya, arus petir dengan mudah merusak arester tubular yang dipasang pada saluran listrik. Bahkan dielektrik klasik (batu dan bata) mengalami efek merusak dari pelepasan yang kuat. Gaya elektrostatik dari sifat tumbukan bahwa muatan yang tersisa dengan mudah menghancurkan bangunan bata dan batu berdinding tebal.

Selama tahap pelepasan petir utama di dekat tempat sambarannya di konduktor dan struktur logam fasilitas energi, pickup impuls dan tegangan lebih terjadi, yang, melewati landasan fasilitas energi, menciptakan kebisingan impuls frekuensi tinggi dan tegangan yang signifikan. turun, mencapai 1.000 kV atau lebih. Pelepasan petir dapat terjadi tidak hanya antara awan petir dan tanah, tetapi juga antara awan individu. Petir semacam itu benar-benar aman untuk personel dan peralatan fasilitas listrik. Pada saat yang sama, pelepasan petir yang mencapai tanah menimbulkan bahaya serius bagi manusia dan perangkat teknis.

Aktivitas badai petir di wilayah Federasi Rusia

Di berbagai bagian negara kita, intensitas aktivitas badai petir memiliki perbedaan yang signifikan. Di wilayah utara, aktivitas badai petir terlemah diamati. Saat bergerak ke selatan, terjadi peningkatan aktivitas badai petir, yang ditandai dengan jumlah hari dalam setahun saat terjadi badai petir. Durasi rata-rata badai petir untuk satu hari badai petir di wilayah Federasi Rusia adalah 1,5 hingga 2 jam. Aktivitas badai petir untuk setiap titik di Federasi Rusia ditetapkan sesuai dengan peta meteorologi khusus aktivitas badai petir, yang disusun berdasarkan data dari pengamatan jangka panjang stasiun meteorologi (Gbr. 29).

Fakta menarik tentang petir:

• Di daerah-daerah di mana aktivitas petir adalah 30 jam per tahun, rata-rata ada 1 sambaran petir per kilometer persegi permukaan bumi dalam dua tahun.
• Setiap detik, permukaan planet kita mengalami lebih dari seratus sambaran petir.

Badai Petir - apa itu? Dari mana datangnya kilat yang membelah seluruh langit dan gemuruh guntur yang mengancam? Badai petir adalah fenomena alam. Petir, disebut kilat, dapat terbentuk di dalam awan (cumulonimbus), atau di antara awan. Mereka biasanya disertai dengan guntur. Petir dikaitkan dengan hujan lebat, angin kencang, dan sering disertai hujan es.

Aktivitas

Badai petir adalah salah satu yang paling berbahaya.Orang yang tersambar petir hanya bertahan hidup dalam kasus yang terisolasi.

Pada saat yang sama, sekitar 1.500 badai petir beroperasi di planet ini. Intensitas pelepasan diperkirakan mencapai seratus kilat per detik.

Distribusi badai petir di Bumi tidak merata. Misalnya, jumlahnya 10 kali lebih banyak di atas benua daripada di atas lautan. Sebagian besar (78%) pelepasan petir terkonsentrasi di zona khatulistiwa dan tropis. Badai petir sangat sering terjadi di Afrika Tengah. Tetapi daerah kutub (Antartika, Arktik) dan kutub petir praktis tidak terlihat. Intensitas badai, ternyata, dikaitkan dengan benda langit. Di lintang tengah, puncaknya terjadi pada sore hari (siang hari), di musim panas. Tapi minimum didaftarkan sebelum matahari terbit. Fitur geografis juga penting. Pusat badai petir paling kuat berada di Cordillera dan Himalaya (daerah pegunungan). Jumlah tahunan "hari badai" juga berbeda di Rusia. Di Murmansk, misalnya, hanya ada empat, di Arkhangelsk - lima belas, Kaliningrad - delapan belas, St. Petersburg - 16, di Moskow - 24, Bryansk - 28, Voronezh - 26, Rostov - 31, Sochi - 50, Samara - 25 , Kazan dan Yekaterinburg - 28, Ufa - 31, Novosibirsk - 20, Barnaul - 32, Chita - 27, Irkutsk dan Yakutsk - 12, Blagoveshchensk - 28, Vladivostok - 13, Khabarovsk - 25, Yuzhno-Sakhalinsk - 7, Petropavlovsk-Kamchatsky - 1.

Pengembangan badai petir

Bagaimana kelanjutannya? terbentuk hanya dalam kondisi tertentu. Kehadiran aliran uap air yang naik adalah wajib, sementara harus ada struktur di mana satu fraksi partikel berada dalam keadaan es, yang lain dalam keadaan cair. Konveksi, yang akan mengarah pada pengembangan badai petir, akan terjadi dalam beberapa kasus.

Pemanasan lapisan permukaan yang tidak merata. Misalnya, di atas air dengan perbedaan suhu yang signifikan. Di kota-kota besar, intensitas badai petir akan sedikit lebih kuat daripada di daerah sekitarnya.

Ketika udara dingin menggantikan udara hangat. Konvensi frontal sering berkembang bersamaan dengan awan miring dan nimbostratus (awan).

Ketika udara naik di pegunungan. Bahkan ketinggian kecil dapat menyebabkan peningkatan formasi awan. Ini adalah konveksi paksa.

Awan petir apa pun, apa pun jenisnya, harus melalui tiga tahap: kumulus, kedewasaan, dan pembusukan.

Klasifikasi

Badai petir diklasifikasikan untuk beberapa waktu hanya di tempat pengamatan. Mereka dibagi, misalnya, menjadi ejaan, lokal, frontal. Badai petir sekarang diklasifikasikan menurut karakteristik yang bergantung pada lingkungan meteorologi di mana mereka berkembang. terbentuk karena ketidakstabilan atmosfer. Untuk penciptaan awan petir, ini adalah syarat utama. Karakteristik aliran seperti itu sangat penting. Tergantung pada kekuatan dan ukurannya, berbagai jenis awan petir terbentuk, masing-masing. Bagaimana mereka dibagi?

1. Sel tunggal cumulonimbus, (lokal atau intramassa). Memiliki aktivitas hujan es atau badai petir. Dimensi melintang dari 5 hingga 20 km, vertikal - dari 8 hingga 12 km. Awan seperti itu "hidup" hingga satu jam. Setelah badai petir, cuaca praktis tidak berubah.

2. Cluster multisel. Di sini skalanya lebih mengesankan - hingga 1000 km. Cluster multi-sel mencakup sekelompok sel badai petir yang berada pada tahap pembentukan dan perkembangan yang berbeda dan pada saat yang sama membentuk satu kesatuan. Bagaimana mereka diatur? Sel-sel badai petir yang matang terletak di tengah, sementara sel-sel yang membusuk bisa mencapai 40 km. Gugusan badai petir multi-sel "memberi" hembusan angin (berat, tapi tidak kuat), hujan, hujan es. Keberadaan satu sel dewasa terbatas pada setengah jam, tetapi cluster itu sendiri dapat "hidup" selama beberapa jam.

3. Garis badai. Ini juga merupakan badai petir multisel. Mereka juga disebut linier. Mereka bisa padat atau dengan celah. Hembusan angin lebih panjang di sini (di bagian depan terdepan). Garis multisel muncul sebagai dinding awan gelap ketika didekati. Jumlah aliran (baik hulu maupun hilir) cukup besar di sini. Itulah sebabnya badai petir yang kompleks diklasifikasikan sebagai multi-sel, meskipun struktur badai petir berbeda. Garis squall mampu menghasilkan hujan lebat dan hujan es besar, tetapi lebih sering "dibatasi" oleh downdraft yang kuat. Itu sering lewat di depan front yang dingin. Dalam gambar, sistem seperti itu memiliki bentuk busur melengkung.

4. Badai supercell. Badai petir seperti itu jarang terjadi. Mereka sangat berbahaya bagi properti dan kehidupan manusia. Awan sistem ini mirip dengan awan sel tunggal, karena keduanya berbeda dalam satu zona hulu. Tetapi mereka memiliki ukuran yang berbeda. Awan supercell - besar - radiusnya mendekati 50 km, tinggi - hingga 15 km. Batas-batasnya mungkin terletak di stratosfer. Bentuknya menyerupai landasan tunggal berbentuk setengah lingkaran. Kecepatan arus naik jauh lebih tinggi (hingga 60 m/s). Ciri khasnya adalah adanya rotasi. Inilah yang menciptakan fenomena berbahaya dan ekstrem (hujan es besar (lebih dari 5 cm), tornado yang merusak). Faktor utama pembentukan awan semacam itu adalah kondisi lingkungan. Kita berbicara tentang konvensi yang sangat kuat dengan suhu +27 dan angin dengan arah yang berubah-ubah. Kondisi seperti itu muncul selama wind shear di troposfer. Terbentuk di updrafts, presipitasi ditransfer ke zona downdraft, yang memastikan umur panjang untuk awan. Curah hujan tidak merata. Hujan terjadi di dekat updraft, dan hujan es lebih dekat ke timur laut. Bagian belakang badai petir dapat bergeser. Maka zona paling berbahaya akan berada di dekat arus naik utama.

Ada juga konsep "badai petir kering". Fenomena ini cukup langka, ciri khas monsun. Dengan badai petir seperti itu, tidak ada curah hujan (mereka tidak mencapai, menguap sebagai akibat dari paparan suhu tinggi).

Kecepatan pergerakan

Dalam badai petir yang terisolasi, kecepatannya sekitar 20 km / jam, terkadang lebih cepat. Jika front dingin aktif, kecepatannya bisa mencapai 80 km/jam. Dalam banyak badai petir, sel-sel badai petir lama digantikan oleh yang baru. Masing-masing menempuh jarak yang relatif pendek (sekitar dua kilometer), tetapi secara agregat jaraknya meningkat.

mekanisme elektrifikasi

Dari mana datangnya petir? di sekitar awan dan di dalamnya terus bergerak. Proses ini agak rumit. Sangat mudah untuk membayangkan bagaimana muatan listrik bekerja di awan dewasa. Struktur positif dipol mendominasi di dalamnya. Bagaimana itu didistribusikan? Muatan positif ditempatkan di atas, dan muatan negatif ditempatkan di bawahnya, di dalam awan. Menurut hipotesis utama (bidang ilmu ini masih dapat dianggap sedikit dieksplorasi), partikel yang lebih berat dan lebih besar bermuatan negatif, sedangkan yang kecil dan ringan bermuatan positif. Yang pertama jatuh lebih cepat daripada yang terakhir. Ini menjadi alasan untuk pemisahan spasial biaya ruang. Mekanisme ini dikonfirmasi oleh eksperimen laboratorium. Partikel pelet es atau hujan es dapat memiliki transfer muatan yang kuat. Besaran dan tanda akan tergantung pada kadar air awan, suhu udara (lingkungan), dan kecepatan tumbukan (faktor utama). Pengaruh mekanisme lain tidak dapat dikesampingkan. Pelepasan terjadi antara bumi dan awan (atau atmosfer netral atau ionosfer). Pada saat inilah kita mengamati kilatan yang membelah langit. Atau kilat. Proses ini disertai dengan suara gemuruh (guntur).

Badai petir adalah proses yang kompleks. Perlu beberapa dekade, dan bahkan mungkin berabad-abad, untuk mempelajarinya.