4. Измерения тока

4.1. ВВЕДЕНИЕ

Первые измерения тока молнии были проведены Покельсом. В результате лабораторных экспериментов он установил [31, 32], что остаточная намагниченность, наведенная в кусочке нефелинового базальта магнитным полем одного направления, не зависит ни от продолжительности действия поля, ни от его изменения во времени, а зависит лишь от его максимальной величины. Поскольку остаточная намагниченность связана с максимумом магнитного поля, в котором выдерживался базальт, теоретически эта намагниченность может быть обусловлена током, который привел к возникновению магнитного поля. Покельс [31] сообщил, что измерения на базальтовых образцах, взятых недалеко от деревьев, поврежденных молнией, дали величины максимального тока 6,4; 6,6 и 10 к А. Ошибки при измерениях были, вероятно, таковы, что приводили к недооценке действительного максимума токов. Покельс [33] поместил кусочки базальта в нескольких сацтиметрах от молниеотвода вышки наблюдения на Монте-Симоне в Апеннинах. Для одной из вспышек он определил максимальный ток около 20 кА. Для серии из четырех вспышек максимальный ток, найденный Покельсом, составлял около 11 кА.

В 1929 г. на вышках линии передач в США было размещено 300 регистраторов разряда молнии. В основе регистратора разряда лежит появление фигур Лихтенберга, размер которых примерно пропорционален максимальному току молнии на вышке. Этот прибор будет рассмотрен в разд. 4.2.1. Первые измерения тока молнии с использованием регистратора разряда молнии были проведены в 1929 г. [34, 35]. Спорн и Ллойд [35] получили

для двух импульсов, переносивших на землю отрицательный заряд, максимальные значения токов 175 и 100 кА. Смелов и Прайс сообщили 134] о максимальных токах в 60 и 100 кА для двух импульсов, которые переносили на землю отрицательный заряд. В течение 1929-1930 гг. было проведено около 50 грубых измерений максимальных токов молнии с помощью регистраторов разрядов [1, 14, 36]. Все измеренные токи соответствовали переносу на землю отрицательного заряда, и большинство измерений показало, что максимальный ток молнии 100 кА. Величины полученных максимальных токов были, вероятно, несколько завышены (разд. 4.2.1).

В 1932 г. Фауст и Куини вновь использовали магнитные стерженьки для измерения максимального тока молнии. Магнитные стерженьки служили по существу для той же цели, что и кусочки базальта, использованные Покельсом. Много данных о максимальном токе молнии было собрано при помещении магнитных стерженьков на вышки линий передач (разд. 4.3). Использовались они также как элементы приборов для измерения переходных характеристик токов молнии (разд. 4.2.2).

Пропуская ток молнии через сопротивление известной величины, можно было провести измерения формы волны тока молнии. Результирующее напряжение в зависимости от времени можно подать на катодно-лучевой осциллограф. Такие исследования были проведены вблизи Лугано, Швейцария (разд. 2.5.4), и на небоскребе Эмпайр стейт билдинг в Нью-Йорке (разд. 2.4.2). Методики измерения будут рассмотрены в разд. 4.2.3, а результаты этих исследований — в разд. 4.3 и 4.4.

Косвенные измерения формы волны тока молнии были проведены Нориндером и его сотрудниками в Швеции. В этих исследованиях (разд. 4.2.4 и 4.3) для регистрации магнитной индукции в нескольких километрах от разряда молнии использовалась рамочная антенна и осциллограф. Связь между результатами измерения и величинами тока молнии устанавливалась теоретически. Теория усложняется из-за того, что волновой фронт возвратного удара, который распространяется от земли к облаку, вызывает в отдельных частях канала в разные моменты времени различные токи. Например, ток, измеренный на

земле, может достичь максимума раньше, чем возникнет заметный ток в нескольких сотнях метров над землей, т. е. прежде, чем возвратный удар поднимется на эту высоту.

Непрерывные токи и связанные с ними магнитные поля могут быть относительно постоянными в течение десятков миллисекунд. Дистанционные измерения этих магнитных полей с помощью магнетометров с малым временем разрешения позволяют с помощью соответствующей теории определить величины непрерывных токов. Такие измерения проводились Вильямсом и Бруком [39] и были рассмотрены в разд. 3.5.4, 3.7.5 и 3.9. Электрические поля, связанные с непрерывными токами, монотонно возрастают, по мере того как отрицательный заряд медленно стекает на землю. Измерения медленных изменений поля позволяют определить величины непрерывных токов [6] (разд. 3.7.5). Почти все измерения тока молнии во времени, за исключением измерений Нориндера с помощью рамочной антенны, были проведены вблизи земли и представляют ток, протекающий у основания канала молнии. Конечно, не очевидно, что ток в канале на произвольной высоте над землей должен быть похожим на ток, измеренный на уровне земли. Например, начальный ток, измеренный у земли, определяется процессом пробоя между головкой лидера и землей. Распространяющиеся вверх разряды, которые могут связывать промежуток между землей и головкой движущегося вниз лидера, будут регистрироваться как ток на земле. С другой стороны, начальный ток в данной точке канала над землей (исключая ток лидера) будет определяться главным образом формой волнового фронта возвратного удара при прохождении этой точки. Все это необходимо принимать во внимание при обсуждении тока молнии.