3.4. ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ

В двух предыдущих разделах были рассмотрены электрические и магнитные поля, обусловленные статическими или медленно меняющимися распределениями грозовых зарядов и токов. В разряде молнии будут происходить значительные изменения заряда и тока в относительно короткие интервалы времени. Поэтому рассмотрим изменяющиеся во времени электромагнитные поля, связанные с разрядом молнии.

Распределению заряда в грозовом облаке можно приписать общий электрический дипольный момент. Для его получения необходимо просуммировать дипольные моменты, обусловленные отдельными зарядами или скоплениями зарядов и их изображениями

суммирование проводится по отдельным зарядам и их скоплениям выше земли; члены, содержащие отрицательный заряд, отрицательны. Электрическое и магнитное поля на земле в точке обусловленные дипольным моментом и его изменениями во времени, нетрудно вычислить, если допустить некоторые упрощающие предположения (см., например, [33]). При выполнении этих

предположений, которые будут перечислены ниже, величины полей равны

где с — скорость света; величины в скобках соответствуют моменту времени Чтобы (3.24) и (3.25) были справедливы, необходимо выполнение следующих условий: 1) величина и фаза тока, появляющегося в результате изменения должны быть постоянными вдоль пути тока; 3) все должны быть постоянными. Если эти условия выполняются с некоторым приближением, то задача вычисления полей сводится к задаче вычисления общего дипольного момента как функции времени.

Первый член в правой части (3.24) называется электростатическим. По существу он эквивалентен выражению (3,4) с поправкой на скорость распространения поля. Второй член в правой части (3.24) называется промежуточным, или индукционным, членом. Этот член, пропорциональный току, представляет собой запасенную реактивную энергию и, поскольку он пропорционален сохраняет значительную величину до больших значений чем электростатический член. Последние члены в правых частях (3.24) и (3.25) являются радиационными. Они представляют собой энергию, распространяющуюся от источника со скоростью света и пропорциональную скорости изменения тока со временем. Радиационные члены существенны при больших когда остальными членами в (3.24) и (3.25) можно пренебречь. Первый член в правой части уравнения (3.25) называется магнитостатическим. По существу он эквивалентен выражению (3.22) с поправкой на скорость распространения поля. Из всех членов, представленных в (3.24) и (3.25), только электростатический член отличен от нуля до и после разряда молнии.

Электростатическое поле преобладает над электрическим на расстоянии от разряда, если эффективная частота исследуемых изменений поля не превышает нескольких кГц.

Если измерения проводятся ближе 10 км, то условие (1) не выполняется, и поэтому (3.24) несправедливо. В этом случае необходимо использовать соответствующие выражения разд. 3.2, хотя они также могут быть неточными, если заряд движется быстро.

Рис. 3.11. а — изменение компонент электрического поля со временем для возвратного удара; б - изменение напряженности электрического поля со временем для ряда расстояний до возвратного удара.

Аналогично этому (3.25) несправедливо для измерений вблизи разряда; магнитостатическое приближение разд. 3.3 при быстрых изменениях тока также может быть несправедливым. На расстояниях свыше 100 км преобладает радиационное поле. На промежуточных расстояниях все компоненты поля могут вносить значительный вклад в общее поле. На рис. 3.11 показана ожидаемая качественная форма трех компонент электрического ноля для возвратного удара, переносящего отрицательный заряд к земле. Возвратный удар вызывает монотонное увеличение дипольного момента На этом же рисунке показано ожидаемое изменение общего электрического поля, вызванное возвратным ударом, в зависимости от расстояния.