2.4. ФОТОГРАФИРОВАНИЕ МОЛНИИ В США (1933—1949 ГГ.)

2.4.1. Введение

Первое фотографическое исследование молнии, проведенное в США, было выполнено Ларсеном [23] (разд. 2.1). Дженсен [18, 19] опубликовал результаты фотографического и электрического исследований молний и, в частности, свойства ветвимости молнии. Дженсен пришел к выводу, что из отрицательно заряженного облака молния обычно ветвится книзу. Электрические измерения Дженсена будут рассмотрены нами в гл. 3. Вскоре после того как в ЮАР были проведены первые исследования разрядов, Ллойд и Мак-Морис [24] в Соединенных Штатах, используя камеру Бойса, получили фотографии стреловидных лидеров. Результаты их работы, которая включает измерения скоростей стреловидного лидера и возвратного удара, приведены также Мак-Ичроном [34].

2.4.2. Исследования на Эмпайр стейт билдинг

Эмпайр стейт билдинг в Нью-Йорке - здание со стальным каркасом высотой около 410 м над уровнем улицы. На его вершине установлена антенна, а над ней —

молниеотвод. С 1935 по 1949 г., исключая годы с 1942 по 1946, компанией Дженерал Электрик проводились широкие исследования молний, ударявших в это здание. Несколько различных типов камер [12, 21], в том числе и камеры Бойса, с 1935 по 1941 г. были установлены на расстоянии 836 м от вершины Эмпайр стейт билдинг, а с 1947 по 1949 г. — на расстоянии 885 м. Фотографии молний, ударяющих в здание, получались при одновременной осциллографической записи токов молнии. Измерения токов молнии будут описаны в гл. 4.

Во время проведения исследований на Эмпайр стейт билдинг ежегодно приходилось в среднем 22,6 разряда в здание. Результаты этих исследований приведены в статьях Мак-Ичрона [35, 36] и Хагенгуса и Андерсона [14]. Ниже мы рассмотрим некоторые из этих результатов.

В 1939 г. Мак-Ичрон сообщил об обнаружении ступенчатых лидеров, движущихся вверх, и о непрерывных токах молнии, и, следовательно, об их непрерывной светимости длительностью порядка 0,5 с и более. Впоследствии были получены статистические данные для этих явлений. При помощи осциллографической записи тока и фотографирования было исследовано 135 вспышек; около 50% вспышек не имели резко выраженных пиков светимости или тока. Измерения показали, что большинство вспышек на Эмпайр стейт билдинг начиналось со ступенчатого лидера, движущегося вверх. За ступенчатым лидером не следовал возвратный удар, а ток лидера плавно сливался с непрерывным током со средней амплитудой 250 А. Почти в половине вспышек, вызванных движущимися вверх ступенчатыми лидерами, непрерывный ток прерывался один или более раз (в среднем 2,3 раза) движущимся вниз стреловидным лидером с последующим направленным вверх возвратным ударом (обычная для разряда облако — земля комбинация стреловидный лидер — возвратный удар). Схема обычной вспышки на Эмпайр стейт билдинг показана на рис. 2.9. Движущийся вверх ступенчатый лидер является, по-видимому, характерным для Змпайр стейт билдинг и других высоких сооружений. Бергер и Фогельзангер [3] (разд. 2.5.4) описали движущиеся вверх ступенчатые лидеры от сооружений на горах.

Иногда между облаком и Эмпайр стейт билдинг наблюдалась обычная для разряда облако—земля комбинация ступенчатый лидер—возвратный удар.

Флауерс [11] сообщил, что плотность изображения медленно меняющегося импульса на фотографической пластинке пропорциональна току в импульсе, измеренному при помощи осциллографа.

Рис. 2.9. Схема, иллюстрирующая обычную молнию между облаком и Эмпайр стейт билдинг [35]. а — фотография вспышки, полученная покадровой камерой; б — фотография той же вспышки, полученная с большой скоростью развертки.

Экспериментально корреляция была проведена на миллисекундной шкале во время протекания непрерывного тока (вплоть до 0,5 с). Следовательно, при проведении соответствующей калибровки можно измерять медленно изменяющиеся токи молнии с помощью фотографической или фотоэлектрической методик.

Мак-Ичрон [35] сообщил, что движущиеся вверх ступенчатые лидеры имеют среднюю длину ступени около 8,2 м, причем длина ступеней заключена в интервале от 6,2 до 23 м. Большинство длин ступеней лежат близко к средней длине. Он установил, что в этих измерениях возможны значительные ошибки вследствие малости изображения на фотографиях. Измеренные длины ступеней значительно меньше, чем длины ступеней, полученные в ЮАР для движущихся вниз ступенчатых лидеров (разд. 2.5.4 и табл. 2.8). Малые размеры ступеней могут быть результатом влияния здания на разряд". Интервал времени между ступенями изменялся от 20 до 100 мс, причем средняя величина интервала составляла 30 мс.

Большинство интервалов было близко к средней величине. Измерены скорости 20 направленных вверх ступенчатых лидеров. Они были заключены в интервале от до а средняя величина равнялась Данные по интервалам времени между ступенями и скоростям ступенчатого лидера аналогичны данным, полученным в ЮАР для движущихся вниз ступенчатых лидеров.

Мак-Ичрон [35] сообщил, что скорости стреловидных лидеров изменяются от до со средним значением около Скорости распространения возвратного удара, следующего за стреловидным лидером, заключены в интервале от до а среднее значение составляет Данные по стреловидным лидерам и возвратным ударам находятся в хорошем согласии с данными исследователей из ЮАР.

Максимальная продолжительность вспышки из числа зарегистрированных вспышек составляла 1,5 с. Продолжительность половины вспышек превышала 0,27 с.

2.4.3. Исследования в Питсфилде

Фотографические исследования молнии были начаты в 1935 г. в Питсфилде, штат Массачусетс, на территории высоковольтной технической лаборатории компании Дженерал Электрик. Целью исследований было получение большого количества статистических данных относительно молний на обычной местности и сравнение этих данных с результатами, полученными при исследовании на Эмпайр стейт билдинг. Исследования проводились семь лет подряд. Основные результаты работы опубликованы Хагенгусом [13]. При статистической обработке материала по числу пиков светимости на вспышку (очевидно, как возвратных ударов, так и -компонентов) было проанализировано 619 фотографий молнии. Было установлено, что 40% вспышек имеют два или более пиков светимости и 10% вспышек — шесть или более. Хагенгус [13] установил, что если данные относятся к вспышкам, видимым во время грозы и отдаленным от обсерватории, то 50% вспышек будут иметь три или более пиков светимости. Максимальное

число пиков, зарегистрированных в одной вспышке, составляло 26.

Было установлено, что максимальная продолжительность вспышки равнялась 0,8 с. Фотографическая методика неизбежно приводила к недооценке действительной величины. Было установлено, что продолжительность вспышки не зависит существенно от числа пиков светимости. 50% интервалов времени между пиками светимости составляло или более. Максимальная зарегистрированная величина равнялась 0,5 с. Значительное число пиков светимости следовало с интервалом и меньше. Это, вероятно, были -компоненты [27, 53]. 30% пиков светимости имели продолжительность по крайней мере по крайней мере

Хагенгус [13] отметил, что изменение в интенсивности светимости канала, когда первый возвратный удар достигает точки ветвления (компонент, связанный с ветвлением), не так четко выражено на фотографиях, полученных в Питсфилде, как на фотографиях Малана и Колленса 130]. Разница объясняется различным типом использованных пленок и различными экспозициями.

На некоторых кадрах наблюдалось направленное вверх ветвление, большей частью у облака. Аналогичные наблюдения были сделаны в ранее проведенных работах [15, 39]. В тех случаях, когда фотографии получались с хорошим во времени разрешением, не было установлено направленного вверх истинного ветвления. Кажущееся ветвление происходит из-за изменения положения в облаке направленного вниз лидера от одного импульса к другому или из-за объединения облачного разряда с разрядом облако — земля, вурдильон [47] получил фотографию этого явления при исследовании связи между разрядами в воздухе и разрядами на землю.

Было сфотографировано несколько разрядов облако — облако. В большинстве случаев они были непрерывными, хотя в одном случае было отмечено некоторое число пиков слабой светимости. Наблюдалось несколько

лидеров облако — облако, скорость распространения которых по порядку величины близка к скорости распространения ступенчатых лидеров облако — земля. Оценка скорости является ненадежной из-за неточности в определении расстояния до импульса.

Было установлено, что средняя скорость ступенчатого лидера относится к средней скорости стреловидного лидера как 1 : 10. Из 45 измеренных скоростей стреловидных лидеров 5% превышало Для 9 исследованных ступенчатых лидеров средняя величина скорости составляла около Для 4 возвратных ударов средняя скорость равнялась Все эти количественные данные находятся в хорошем согласии с данными, полученными в ЮАР.