Co se stane, když blesk udeří do země? | Firma STELLAIT
Jedna ze zpráv v televizi udělala z odborníků na ochranu před bleskem a atmosférickou elektřinu téměř nejžádanější lidi pro novináře na všech úrovních. Program popisoval, jak byl Číňan dvakrát zasažen bleskem. A v obou případech zůstal naživu, navíc z místa incidentu odešel vlastní silou. Tento incident přitáhl velkou pozornost k samotnému fenoménu blesku, i když se ve skutečnosti nezdálo být něčím výjimečným. Být zasažen bleskem nemusí vždy vést ke smrti. Pokud se ponoříte do archivů, můžete snadno najít spoustu zpráv na toto téma. Celý fotbalový tým hrající na stadionu během bouřky byl zasažen bleskem. Tak ohromila lidi čekající na autobus. Stádo krav atd. mělo smůlu. V mnoha případech lidé po takových incidentech skončí na nemocničním lůžku, ale ne v márnici. Je nebezpečí atmosférických výbojů prostě přehnané? Opravdu lidé ustojí přímý úder blesku bez vážných následků pro ně samotné? A kdo řekl, že ve výše popsaných situacích byl tento dopad přímý? Zpravidla, když mluvíme o zázračných záchranách, nemáme co do činění s přímým kontaktem, ale s výbojem, který dopadne na zem vedle člověka.
Nejprve zhodnoťme rozsah tohoto nebezpečného atmosférického jevu. Malý blesk, který lze dokonce nazvat slabým, má proudovou sílu asi 30 tisíc ampér. Výboje, které lze klasifikovat jako silné, jsou desetkrát silnější. Při dopadu na zem se tento náboj rozšíří po celém objemu půdy. Právě pro tento účel (přenesení silného náboje do země) se používají hromosvody vybavené zemnicími vodiči. Ty druhé jsou elektrody, které jdou do určité hloubky do země. Platí zde Ohmův zákon, podle kterého je pro výpočet napětí na zemnící elektrodě nutné vynásobit proudovou sílu odporem.
V tomto příkladu je nutné vzít v úvahu, že napětí v zemině je považováno za nulové. Pokud jde o člověka, který při úderu blesku stojí na zemi, je vše doslova obráceno vzhůru nohama. Napětí na nás bude působit zespodu, přes naše nohy. Zkusme přijít na to, jak se to stane.
Nejprve uvažujme naši zemi jako vodič. Jak dobře vede elektrický proud? První odpověď, která se sama nabízí, je velmi dobrá. Není náhodou, že uzemnění provádíme zavedením elektřiny do země. Potřebujeme však přesnější posouzení vlastností země jako vodiče, konkrétně měrného odporu. Pro dobrou zem je to průměrně 100 ohmů na metr. To znamená, že odpor je zde prostě obrovský. Například: v běžné černé oceli je to miliardkrát méně. Navzdory tomu však země díky svému velkému objemu účinně vede proud.
Nyní, abychom objasnili, jak se elektřina chová, když vstoupí do země, uvažujme další důležitý parametr – intenzitu elektrického pole. Tento parametr určuje, jak poklesne napětí za určitou dobu. Budeme uvažovat úbytek napětí na délce 1 metru. Tento indikátor, zvaný krokové napětí, nebyl zvolen náhodou – jedná se přibližně o délku lidského kroku. To znamená, že pokud je v zemi pole 1 volt na metr, bude kráčející osoba vystavena napětí 1 voltu.
Nyní analyzujme hypotetickou situaci s úderem blesku do hromosvodu a jeho výstupem do zemnící elektrody. Uvažujme například případ, kdy se jako zemnící vodič použije kovová polokoule o průměru půl metru. Proud, který prošel vodičem, bude proudit z polokulové zemnící elektrody rovnoměrně do země. Vypočítejme proudovou hustotu při jeho síle rovné 30 tisíc ampér. Chcete-li to provést, vydělte sílu proudu oblastí, ve které působí. Dostaneme hodnotu přibližně 76 000 ampér na metr čtvereční. Nyní vypočítejme napětí pomocí Ohmova zákona vynásobením odporu půdy získaným výsledkem. Výsledkem je asi 7,6 milionů voltů na metr. Působivá postava. A je nepravděpodobné, že by šťastlivec z Číny popsaný na začátku článku byl vystaven přesně takovému napětí.
Proč tedy Číňané přežili? Chcete-li odpovědět na tuto otázku, musíte pochopit, jak se zde získaný indikátor mění se vzdáleností od zemnící elektrody. Vezmeme si hypotetický příklad s výše popsanou polokulovou zemnící elektrodou a homogenní zeminou. Jak se vzdalujeme od uzemňovací elektrody, bude se zvětšovat poloměr polokoule, pro kterou provádíme výpočty. V důsledku toho se plocha polokoule zvětší a následně se sníží proudová hustota a za ní napětí. Již deset metrů od zemní elektrody bude místo milionů voltů, které nás děsí, napětí pouze 5 tisíc voltů na metr. A ačkoli je to nebezpečné a bolestivé, není to vždy smrtelné. Taková rána může člověka klidně odhodit zpět a srazit k zemi, jako tomu bylo v případě popsaném televizí. Počítejte také s tím, že doba, po kterou elektřina ovlivní člověka, bude pouze 0,1 milisekundy.
Čím dále jsme tedy od místa, kde blesk dopadá na zem, tím nižší bude napětí, kterému jsme vystaveni. Proto je pochopitelné, proč nám v lekcích bezpečnosti života říkali, že se nemáme schovávat před bouřkou pod vysokými stromy. Právě tam výboje obvykle dopadají. A tím, že jsme poblíž, riskujeme, že budeme vážně zasaženi. Faktem je, že kořenový systém stromů v tomto případě bude fungovat jako uzemňovací vodič. A čím blíže k němu, tím silnější je výboj. A rána bude obzvláště silná, pokud nestojíme pod stromem, ale ležíme, protože v tomto případě se obrys, ze kterého dostaneme výboj, zvětší.
Nechceme čtenáře uvádět v omyl tím, že blesk není nebezpečný. Uvedené údaje nejsou nijak přehnané. Naopak každý z nás se může setkat s bleskem s nábojem až 100 tisíc ampér, přičemž výpočty jsme prováděli pro blesk 30 tisíc ampér. Proto může být kritické skokové napětí působivější a ve větší vzdálenosti od zemnící elektrody.
Kromě toho je třeba vzít v úvahu, že v našich výpočtech jsme uvedli příklad s polokulovou zemnící elektrodou. S tímto návrhem bude intenzita pole nepřímo úměrná druhé mocnině vzdálenosti od středu polokoule. Takové elektrody se však používají extrémně zřídka. V průmyslových objektech nejsou vůbec žádné. Zpravidla se tam používají speciální tyče, proto při vzdalování se od hromosvodu napětí klesá pomaleji. Zde může být poloměr kritického zásahu, včetně smrtelného, několik desítek metrů.
Nyní si uveďme příklad typických zařízení používaných v ochraně před bleskem u nás. Vezměme kritická data pro výpočty, které nám poskytnou působivější výsledek. Jako zemina bude použit suchý písek s odporem 1 kOhm na metr. Vezměme aktuální sílu v blesku na 100 tisíc ampér. Samotná zemnící elektroda se bude skládat ze tří kolíků doporučených technickými normami a přípojnice, ke které jsou připevněny. V takovém obvodu a při výše uvedené síle proudu bude ve vzdálenosti 15 metrů od zemní elektrody fungovat napětí 70 tisíc voltů. A v okruhu 40 metrů – 10 tisíc voltů, což je také hodně.
Proto jsou pro složité objekty, které jsou často zasaženy bleskem a v jejichž blízkosti je vysoká pravděpodobnost přítomnosti osob, vyvíjeny individuální systémy ochrany před bleskem. Takový systém byl například použit při stavbě katedrály Krista Spasitele. Skládá se z mnoha pneumatik umístěných pod zemí. Zajišťují šíření blesku a pokles krokového napětí v blízkosti spánku.
Další vážné nebezpečí je spojeno s vystavením silnému elektrickému náboji. Pokud úrovně napětí dosáhnou 1 megavolt na metr, začne ionizace půdy. A pokud se řada faktorů shoduje, výsledkem takové ionizace bude zvětšení plazmatického kanálu. Projde pod zemí, ne hluboko z jejího povrchu. Takové kanály v ionizované půdě jsou ve skutečnosti součástí hlavního blesku a mohou sahat do vzdálenosti až desítek metrů od místa přímého dopadu.
Síla proudu v takových kanálech je menší než v hlavním blesku, ale je také působivá. Podzemní vypouštění je navíc doprovázeno vysokými teplotami, které dosahují 63 tisíc stupňů. Nyní si představte, že by takový podzemní výboj prošel blízko nějakých hořlavých látek nebo důležitých zařízení a lidé se dostali do jeho zóny působení.
Přesně s touto situací se v roce 2010 potýkali obyvatelé malé vesnice v regionu Omsk. Došlo zde k požáru, následkem kterého vyhořely všechny domy. Místní obyvatelé nedokázali plameny uhasit, protože, jak uvedli, po zemi běhaly ohnivé šípy. Musím říci, že samotný požár vznikl v důsledku úderu blesku? Vesničané udělali správnou věc, když neriskovali – napětí v oblastech, kudy takové kanály procházejí, není v parametrech v žádném případě horší než v místech, kde zemnící vodiče hromosvodu vstupují do země.
Zdá se, že to, co zde bylo řečeno, stačí k pochopení, že i když blesk zasáhne hromosvod nebo zem daleko od člověka, existuje reálné riziko poškození blízkých předmětů a osob. Zdá se, že Lightning je mazaný, hledá řešení a hackuje jednoduchou obranu. Proto je důležité, aby i domácí systém ochrany před bleskem vypočítali a nainstalovali zkušení specialisté. Pouze oni budou schopni vzít v úvahu všechny nuance a skutečně spolehlivě chránit před všemi faktory dopadu výboje blesku.