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

České vysoké učení technické v Praze

Fakulta elektrotechnická, Technická 2, 166 27 Praha 6

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 ([email protected])

LS 1999/2000

1 / 11



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 (1706-1790), 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 1999/2000

2 / 11



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 1999/2000

3 / 11



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 106 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 1999/2000

4 / 11



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 105 a 2·105 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 1999/2000

5 / 11



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 14.5.2000

LS 1999/2000

6 / 11



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 1999/2000

7 / 11



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 1999/2000

8 / 11



obr. 8

Statistika výskytu blesků v Rakousku (1992-1999) 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. (http://www.chmi.cz).

LS 1999/2000

9 / 11



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 http://www.chmi.cz/meteo/rad/blesk/data.htm

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 1999/2000

10 / 11



Literatura: [1]

Pavel Kubeš, Pulzní silnoproudé výboje a jejich diagnostika, 1997, str.24-28

[2]

Tomáš Hasman, Přepětí v energetických soustavách,, 2000, str.63-83

[3]

Internet: http://meteo.vsb.cz, - bouřky, typy oblačnosti, meterologie

[4]

Systémy pro detekci bleskové aktivity: USA: http://www.lightningstorm.com, Rakousko: http://www.aldis.at, ČR: http://www.chmu.cz

[5]

Martin A.Uman a E. Philip Krider, Natural and Artificially Initiated Lightning , Science , Volume 246, str.457-464, 27.10.1989

Přílohy:

obr. 10

Četnost bouřek pozorovaná v 50.letech na území Českoslovenka

LS 1999/2000

11 / 11

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

Recommend Documents