1. Úvod 2. Mechanismus vzniku bouřek 3. Bleskový výboj 4. Systémy pro detekci bleskového výboje 5. Závěr

Transkript

1 Moderní fyzika pro silnoproudé obory Bleskový výboj 1. Úvod 2. Mechanismus vzniku bouřek 3. Bleskový výboj 4. Systémy pro detekci bleskového výboje 5. Závěr Vypracoval: Ladislav Prskavec LS 1999/ / 11

2 1. Úvod Bleskový výboj je atmosferický jev, který lidé pozorují odpradávna. Za časů našich pohanských předků byl jeho původ připisován hněvu bohů, kteří jím zapalovali lesy, zabíjeli zvířata či lidi. O jiný než mytologický výklad se lidé pokoušeli od začátku 18. století. Nejvýraznější osobností mezi vědci zkoumajícími původ blesku byl přírodovědec a politik Benjamin Franklin ( ), který prokázal elektrickou podstatu blesku a zároveň navrhl princip ochrany objektů před jeho ničivými účinky. Franklinovy poznatky o blesku nebyly po více než sto let překonány. V první polovině 20. století, po sestrojení rotační kamery a rychlého katodového osciloskopu, se dostavili další poznatky a od té doby probíhá poměrně intenzívně mezinárodní výzkum, který je motivován problémy, které přinášejí blesky pro přenos a distribuci elektrické energie. 2. Mechanismus vzniku bouřek V bouřkových mracích, tedy v Cumulonimbech (obr.1), nastane ve správný okamžik a na správném místě situace blízká pomalé explozi se silnými vzestupnými proudy vzduchu. obr. 1 LS 1999/ / 11

3 obr. 2 Proudění vzduchu v bouřkovém mraku Uvnitř tohoto pekelného kotle se částice mraku tvořené vodními kapkami a krystalky začnou nabíjet a následuje oddělování kladných a záporných částic do různých částí mraku. Je předpoklad, že onu separaci nábojů má na svědomí silná vzdušná vertikální turbolence. Dojde k separaci náboje a ke vzniku bleskového výboje (popsaného v následující kapitole). Bouřky jsou jev poměrně obtížně klasifikovatelný. Podle meteorologického slovníku je dělíme na: frontální - bouřky vyskytující se v oblasti atmosférické fronty a postupující s ní. rozlišujeme bouřky na teplé a na studené frontě. nefrontální - uprostřed stejné vzduchové hmoty konvekční - způsobené tepelnou konvekcí v důsledku nerovnom. ohřívání vzduchu orografické - vznikající v hornatých oblastech spolupůsobením horských svahů Bouřky jsou jev celoroční, i když např. ve středních zeměpisných šířkách jsou na pevnině častěji v létě, kdežto v zimě jsou vzácné. LS 1999/ / 11

4 3. Bleskový výboj Bleskový výboj je velmi důležitý z hlediska vyrovnávání hodnot náboje, ale jeho vznik je nejčastější příčinou poruch v síti vysokého a velmi vysokého napětí. Na povrchu Země je elektrické pole s intenzitou E=100Vm -1, Ionosféra má kladný náboj a povrch Země záporný náboj. Napětí mezi ionosférou ve výši 50 km a povrchem Země je asi 10 6 V. Iontové páry vytvářené v atmosféře kosmickým zářením a radioaktivitou zemského pláště v tomto poli vytvářejí tok záporných o intenzitě 1800A proudové hustotě 10pAm -2. Tento proud by přenesením náboje zemské elektrické pole E brzy vykompenzoval, kdyby nebylo přirozeného náboje zpět na Zem a tou jsou bleskové výboje. obr. 3 Mnohá pozorování prováděná na celém světě ukázala, že bleskové výboje k zemi lze rozdělit podle mechanizmu do dvou skupin, a to na blesky v otevřené krajině bez vysokých objektů a na blesky do vysokých objektů. Jednotlivé fáze blesku jsou zřejmé z obr.4, na kterém časový LS 1999/ / 11

5 průběh zachycený rotační kamerou. Výboj začíná v oblaku, odkud se šíří po klikaté, velmi rozvětvené a slabě svítící dráze směrem k zemi. Postup výboje probíhá ve skocích, jejichž délka je asi 20 metrů a směrem k zemi se prodlužují. Tento výboj se nazývá vůdčí stupňovitý výboj (stepped leader). Průměrná rychlost pohybu špičky tohoto výboje je mezi 10 5 a ms -1. Potenciálový rozdíl způsobí zpětný výboj (return stroke). S časovým odstupem může následovat další výboj, který není rozvětvený a obvykle sleduje dráhu předchozího hlavního výboje. Nazývá se rychlý vůdčí výboj (dart leader) a je následován opět zpětným výbojem. Oba tyto výboje tvoří dílčí bleskový výboj. obr. 4 (stepped leader vůdčí stupňovitý výboj, return stroke zpětný výboj, dart leader rychlý vůdčí výboj) LS 1999/ / 11

6 4. Systémy pro detekci bleskového výboje Detekce blesku a určení jeho výskytu se opírá o měření magnetického pole vyvolaného bleskem. Kromě velikosti intenzity magnetického pole lze určovat její směr (systém směrové detekce), nebo je detekován přesný čas zaznamenání magnetického pole vyvolaného bleskem v místě detekce (systém časové detekce). Systémy pro detekci blesku jsou instalovány po celém světě asi ten největší je ve USA, obdobně jsem na internetu našel i další v Mexiku a hlavně je mezinárodní v Evropě, ucelený systém mají např. v Rakousku systém ALDIS, u nás jsou umístěny senzory také na základě mezinárodní spolupráce. obr. 5 Systém v USA na internetu poskytuje aktuální údaje tento obrázek je z LS 1999/ / 11

7 Obdobně jako systém v USA pracuje systém v Evropě, ale jeho údaje nejsou úplně veřejné, ale část údajů se dá získat zdarma. Detekce probíhá pomocí senzorů rozmístěnými po celé Evropě. obr. 6 (červeně je vyznačený Rakouský systém ALDIS) Austrian Lightning Detection & Information System (ALDIS) se skládá skládá ze tří základních částí: Senzor - Direction Finder (DF), který určí úhel výskytu elmag.pole blesku a přesný čas výskytu pomocí GPS. Lightning Processor (LP2000) vypočte pozici blesku. Zobrazovací systém pro sledování bleskové aktivity LS 1999/ / 11

8 Kdo používá systém ALDIS má potom díky tomuto systému všechny údaje přímo před sebou včetně meterologických údajů. obr. 7 Systém je delší dobu a jsou k dispozici zajímavé statistické údaje (obr.8) na kterých si potvrzujeme např. to že v létě je v našich zeměpisných délkách výskyt blesků o mnohem větší než v zimních měsících. Účinnost systémů pro detekci blesku se vyjadřuje poměrem počtu detekovaných blesků k jejich celkovému výskytu. některé blesky nejsou detekovány proto, že díky malým proudům vyvolají intenzitu magnetického pole podprahové velikosti. V polovině 90.let se účinnost těchto systémů uvádí 80 až 90%. LS 1999/ / 11

9 obr. 8 Statistika výskytu blesků v Rakousku ( ) Americká firma Global Atmospherics, Inc. (GAI) ve spolupráci s německou firmou Siemens AG a rakouskou Austrian Lightning Detection & Information Systems zahájily od června tohoto roku provoz ukázkového středoevropského systému detekce blesků. Systém sestává z několika čidel schopných v reálném čase identifikovat výboje typu mrakmrak (CC) a mrak-země (CG). Čidla jsou rozmístěna na území Německa, Rakouska, Maďarska, České Republiky a Polska. Jedná se o hybridní síť čidel LPATS IV, LPATS III a IMPACT firmy GAI. Údaje z čidel jsou centrálně zpracovávány v německém Karlsruhe na stroji LP2000 firmy GAI. Zpracovaná data jsou předávána účastníkům projektu prostřednictvím internetu. ( LS 1999/ / 11

10 obr. 9 LEGENDA: Σ... celkový počet blesků na obrázku CG+ výboj typu MRAK - ZEMĚ s kladnou polaritou CG- výboj typu MRAK - ZEMĚ se zápornou polaritou CC výboj typu MRAK - MRAK barevná stupnice... číslo uvedené vedle barvy udává stáří blesku v minutách od času udaného v záhlaví obrázku Aktuální obrázek je na 5. Závěr Bleskový výboj patří pořád k velmi zajímavým úkazům, které se vyskytují u nás na Zemi, ač víme o jeho vzniku a průběhu mnohem více než Benjamin Franklin zdaleka nevíme vše. Blesky stále způsobují škody na vedení v elektroenergetice i když jsme proti nim vybaveny moderní technikou s kterou je stále sledujeme. Nedokážeme předvídat počasí přesněji než na 2-3 dny dopředu a až to budeme umět můžeme např. možná blesky i předvídat. LS 1999/ / 11

11 Literatura: [1] Pavel Kubeš, Pulzní silnoproudé výboje a jejich diagnostika, 1997, str [2] Tomáš Hasman, Přepětí v energetických soustavách,, 2000, str [3] Internet: - bouřky, typy oblačnosti, meterologie [4] Systémy pro detekci bleskové aktivity: USA: Rakousko: ČR: [5] Martin A.Uman a E. Philip Krider, Natural and Artificially Initiated Lightning, Science, Volume 246, str , Přílohy: obr. 10 Četnost bouřek pozorovaná v 50.letech na území Českoslovenka LS 1999/ / 11