Хабрахабр

Башня Теслы. Что происходит в небоскребе и рядом с ним, когда ударяет молния?

Когда в сентябре на башню Лахта Центра «напали» молнии, наш главный инженер Сергей Никифоров всех успокоил, сообщив, что у башни «классическая система молниезащиты» и бояться нечего. Что это за «классическая»? На ум приходит что-то древнегреческое… А почему бы и нет? Ведь используем мы по сей день такими результатами древней мысли, как колесо, замок, календарь или бумага. Может и молниезащита в башне – хорошо забытое старое? Тогда — может ли столь старое помочь столь новому?

image
Фото ch0col8te

Разберемся!

Ехал грека через реку

В интернете ходит байка об античных мореплавателях.

image
Фото триремы отсюда

На мачту привязывали вертикально меч, к нему – трос, концы – в воду. Якобы, уже тогда греческие моряки и правда умели отвести гнев Громовержца хитроумным способом. Для того, чтобы придумать нечто похожее, нужно понимать природу молний. Звучит сомнительно. Греки понимали, что на Олимпе очередная семейная ссора, спасайся кто может, зачем меч?

image

Стальных тросов у древних греков не было, а те что были – льняные, обладают сравнительно высоким удельным сопротивлением. И даже если путем каких-то случайностей, спустя тысячи потопленных Зевсом трирем, удалось выйти на понимание, что на кописы и ксифосы прекрасно ловятся молнии, то дальше цепочка прерывалась. Если вовремя спрыгнуть с горящего судна, конечно. Используй такой в качестве проводника – и дальнейшее путешествие вплавь почти гарантировано. Если совсем везунчик, то доплывешь до берега и расскажешь, как неправильно грозить Зевсу мечом с мачты.

1655 г. image
Картина «Одиссей и Навсикая», Роза Сальватор, Музей искусств Лос-Анжелеса, ок. Источник

И вообще разбирались в свойствах электричества, проводников и диэлектриков… Но почему-то это очень полезное знание дальше кануло Лету, вынырнув века спустя. Конечно, может быть там были не тросы, а цепь или поволока, или трос хорошо замалчивали перед тем, как пустить в дело. Зато точно нашлось другое средство, бороться с применением которого пришлось даже полиции.

image

Гром и молния! Три тысячи чертей!

В средние века научная парадигма перевернулась – Юпитер и Тор отправились в забвение, а в грозе увидели козни дьявола.

Гравюра Матиаса Герунга, Германия, 1547 г. image
Разрушение католической церкви. Источник

Климатическое оружие эпохи – колокольный звон, ведь, как известно: «первый удар колокола приводит нечистую силу в оцепенение, при втором ударе она в смятении бросается во все стороны, на третьем, если не успеет убежать, проваливается в преисподнюю».

Литография Эжена Делакруа, 1828 г image
Зловещий Мефистофель пролетает над Виттенбергом.

Но более поздние записи – свидетельство смертельного риска: Сколько звонниц сгорело и мракоборцев пало в этой борьбе- веками не считали.

Трульский мэр, знавший физику лучше Пужибе, поспешил в церковь, чтобы прекратить звон; но было уже поздно: несчастный Пужибе лежал на полу, пораженный громом. «В Journal de Paris, за август месяц 1807 года, рассказывают о Трульском (близ Тулузы) прихожанине Пужибе, человеке более набожном, нежели опытном, который, услыхав раскаты грома, побежал на колокольню и изо всей силы принялся звонить для отвращения грозы. Редактор Journal de Paris говорит по этому случаю: «Вот новый пример опасности звонить в колокола во время грозы».

image
Место событий — Тулуза, фотограф Флориан Калас (Florian Calas)

Или вот, из записок Парижской академии наук:

20, собрано Робертом Джеймсоном) «В 1718 году, 15 августа, поднялась сильная гроза в Нижней Бретани; гром, гремя сильными раскатами, ударил в двадцать четыре церкви, находившиеся между Ландернау и Сен-Поль-де-Леон; во всех этих церквах звонили, чтобы отдалить грозу; в которых же не звонили, те остались целы» (Этот и другие случаи можно найти в Edinburgh New Philosofical Journal, т.

image

В общем, по крайней мере, во Франции в колокола во время грозы запрещено звонить уже лет 30 – официальным распоряжением полиции. С другим средневековыми способами предотвратить погодные неприятности, например, показав в окно кое-какие части тела, думается, тоже покончено. Ведь наконец нашлись они — безопасные и работающие средства.

image

Классическая молниезащита как она есть

В 18 веке Бенджамин Франклин – тот самый, чье лицо многим хорошо знакомо по другому поводу, изобрел громоотвод. В 1752 году на крыше собственного дома он установил металлический стержень, соединенный металлической же проволокой с колодцем во дворе.

Рисунок Wdchk. image
Схема молниезащиты Франклина. Источник

Успешно. Первую атаку небесного электричества этот громоотвод отразил 34 года спустя. В России молнии изучают Ломоносов и Рихман, а промышленник Акинфий Демидов строит Невьянскую башню высотой 57, 5 метров. Возможно, идея подобной конструкции к тому моменту уже витала в наэлектризованном открытиями воздухе.

image
Источник

Башня затем попала на герб города, серебряную монету банка России 2007 года и на 5 уральских франков (в 91-м году было и такое) – за «знаковость» в истории и архитектуре: отклонение башни от вертикали — 1, 85 м.
image

Конструкция похожа: металлический шпиль плюс заземление. Но на ней же – первый отечественный громоотвод, за 25 лет до Франклина.

image
Источник

Сначала – в суде. С тех пор человечество стало одерживать победы над молниями. На стороне защиты – Максимилиан Робеспьер, на стороне обвинения – Жан-Поль Марат — невероятное время! Буржуа Вилье, установивший новинку на крыше дома, отбивался от претензий соседей, которые считали громоотвод опасной затеей. В Париже становятся популярны зонты и шляпки с молниезащитой. В ходе 4-летнего разбирательства суд встал на сторону Вилье и громоотводов.

image

Схема Франклина – молниеприемник – токоотвод — заземление, сегодня считается классической. В штатах и без подобных историй число громоотводов исчисляется сотнями. Вот ее-то и поминал наш главный инженер в этот грозовой сентябрь. Ничего лучше нее пока что не придумано: эффективность хорошего классического громоотвода приближается к 99 %.

image

Почему громоотвод Франклина работает?

Франклин, как и Ломоносов, и Рихман, дошел до понимания электрической природы молний, а затем – до главного: можно «притянуть» электричество из атмосферы, поймав молнию на условный копис. Описанный опыт Франклина с запуском воздушного змея в грозовую тучу сегодня ставят под сомнение, но так или иначе, к верным выводам он пришел в добром здравии, в отличие от российского коллеги Рихмана – тот поплатился за науку жизнью. Свойства проводников тогда уже были открыты, остальное – вопрос инженерной смекалки и дело техники.

image
С 1860 по 1890 на 10-долларовой банкноте США была виньетка с экспериментом Франклина с воздушным змеем и лишь позже потрет изобретателя попал на 100-долларовые купюры

Обеспечить с помощью проводника непрерывную цепь от приема разряда до его заземления. Принципиальный момент в классической системе молниезащиты – один. Электрическая небесная гостья хочет ровно того же — не пробиваться сквозь толщу воздушного изолятора, а привести разнополярные частицы к соединению с наименьшими усилиями. Можно сказать, что такая система предугадывает и реализует намерение самой молнии. И люди ей предлагают путь наименьшего удельного сопротивления.

Источник image
Фото Патрика Фишера.

Как это выглядит в башне Лахта Центра

Итак, нам нужен токоприемник из металла. Металлический шпиль башни подходит как нельзя лучше – более 100 метров ввысь чистого проводника!

image

Профиль рам стеклопакетов оболочки супертолла тоже металлический, металл – в элементах системы обслуживания фасадов. Но – не только он.

image

Это важно – удар не всегда приходится на самую высокую точку, да и грозовые облака могут оказаться ниже шпиля.
После приема разряд переходит на токоотводы. Поймать молнию башня может по всей высоте. Пластины опоясывают периметр этажа и соединяются в надежную цепь вертикальными магистральными полосами, расположенными в теле периметральных колонн и оболочке ядра. В шпиле их роль играют стальные колонны-трубы, ниже — пластины оцинкованной стали.

image
Ток с внешней оболочки переходит через гибкий проводник (в красной оплетке) на металлическую пластину-токоотвод по периметру этажа

image

Она идет
до минусовых отметок, где контур молниезащиты башни соединяется с контуром заземления Многофункционального здания. Вертикальная магистраль для отвода электрического разряда — сквозная, проходит сверху до низу башни без разделения перекрытиями и является основным молниепроводом для небоскреба. Оттуда электроны спешат по арматурному каркасу свай МФЗ глубоко в землю и, наконец, встречаются с протонами, обнуляясь где-то в древних толщах докембрийских глин.

Может ли молния расплавить фасад или шпиль башни?

Конечно, температуры молний ужасают. «Лидер» — форвад разряда, доходит до температур в 30 тысяч градусов Цельсия! В пять раз горячее, чем ядро земли, в 30 раз жарче, чем лава, в миг уничтожившая Помпеи, Геркуланум и Стабии. И все же шпиль башни выдержал три атаки молний за сентябрь и остался в неизменном виде.

image
Фото Виктора Гусика

Электрические частицы завершают свой маршрут так быстро, что металл просто не успевает нагреться и расплавиться. Все потому что молния пролетает путь от токоприемника до заземления на сверхзвуковых скоростях – более 1000 километров в секунду! Если бы в цепочке были звенья с высоким сопротивлением или сам импульс длился много дольше, то исход, конечно, мог быть другой.

Клеточная защита

Внутри шпиля башни размещено оборудование навигации и связи, системы СОФ и другое, электрическое. Если в шпиль попадет молния, что с ним будет? И вообще с остальным электрооборудованием небоскреба?

image

Что касается непосредственно размещенного в шпиле, тут добавляется любопытная деталь. Такая ситуация является штатной – во всех электрощитовых Лахта Центра имеется защита от импульсных перенапряжений. Сам шпиль Лахта Центра по своему строению схож с клеткой Фарадея – ячеистая структура металлического фасада, замкнутый и заземленный контур дают эффект экранирования электрического импульса и защищают размещенное внутри шпиля оборудование.

image
Сетка фасадов шпиля башни Лахта Центра

Опасно ли находится в Лахта Центре во время удара молнии?

В сентябре этот вопрос взволновал многих, имеющих в планах посещение обзорной площадки в башне комплекса. Страшиться не стоит. В грозу безопасно находится абсолютно на любом обитаемом уровне супертолла. Обзорную площадку от главного токоприменика – шпиля, отделяет бетонное перекрытие на 88 уровне – его можно условно считать кровлей здания. Все потенциальные пути отклонения тока молнии от проложенной для него магистрали надежно перекрыты: стекло – само по себе диэлектрик, как и бетон, окутывающий сердечники колонн и формирующий тело ядра.

image
Металлические пластины-токопроводы в теле колонны обетонированы — мощный слой бетона выступает изолятором

Старомодный джентльмен среди сверхвысотной «молодежи», Empire State Building, получает свои ежегодные «лайтин страйки» в количестве от 12 до 100 и пока что ни один из его посетителей за уже почти вековую историю здания разу не пострадал. Вообще, молнии бьют небоскребы довольно часто. Как и посетитель любого другого небоскрёба.

Охотники за впечатлениями

Чаще всего удар молнии в небоскреб — световое представление для тех, кто наблюдает со стороны, обитатели же могут и не подозревать, что вокруг них – настоящее тесла-шоу. Именно это и случилось во время сентябрьских гроз с теми, кто в те яркие минуты трудился в башне Лахта Центра. Про грозы и молнии узнали из многочисленных фото, в ответ на просьбу поделиться впечатлениями – развели руками. Всю грозу проработали, ничего не посмотрели, обидно! В общем, в небоскребе в грозу не только безопасней, но иногда и куда скучнее – все самое интересное открывается со стороны.

image

Вот тут, например, фотограф Моххамед Азми рассказывает, как охотился два года за кадром, где молния ударяет в небоскреб – выжидая в непогоду на крышах близлежащих зданий.

image
Все ради этого кадра

Кое-где конструктивные особенности позволяют наблюдать за кульминационными сценами небесной драмы. А что можно увидеть с обзорной площадки небоскреба, оказавшись там в грозу? Например, такие строки можно увидеть в материале о достопримечательностях австралийского небоскреба Q1:

Судя по этому невероятному образу, это, должно быть, чертовски интересный опыт, и уж точно не для слабонервных!»
image
Фото Ann VB
«…Помимо серфинга, тематических парков и полетов на воздушном шаре, посетители популярного Золотого побережья Австралии могут добавить еще одну достопримечательность в свой список острых ощущений: отправиться в пригород Surfers Paradise и наблюдать, как молния ударяет по ориентиру Q1 – в то время как уютно внутри него… Как утверждает один из источников, посетители любят лежать на полу во время грозы, чтобы посмотреть, как молния ударяет по впечатляющему 97,7-метровому шпилю Q1.

Тем, кто отправится наблюдать за грозой с обзорной Лахта Центра, бьющих в шпиль молний, увы, не видать – все будет происходить за верхним перекрытием. Но молнию, ударяющую ниже, застать вполне вероятно. Нужен лишь хороший прогноз и немного везения.

Башня притягивает молнии?

Сентябрьские грозы у башни Лахта Центра неплохо прогремели в соцстеях и СМИ. Настолько неплохо, что появились разного рода догадки о природе нетипичного явления.

image
Мойка 78

Во-вторых – молнии бьют в самую высокую точку, а башня Лахта Центра, как известно, самая высокая в Европе… Совпадение? Во-первых, таких гроз на веку не видали.

image

Мы бы в свою очередь были и рады, если бы Лахта Центр смог сделать каждое лето и осень в Петербурге такими же теплыми, как минувшие, но с сожалением приходится признавать правоту специалиста: поменять погоду ни башня в отдельности, ни даже комплекс в целом не могут. Разъяснения о том, что молнии возникают при определенных погодных условиях и никакой небоскреб не способен изменить климат, пришлось давать даже главному синоптику Санкт-Петербурга Александру Колесову.

image

До того, как башня была завершена, роль молниеотводов выполняли башенные краны. Для совсем подозрительных даже есть небольшая историческая демонстрация.

image

И хорошо, что башня была достроена – иначе молнии могли бы выбрать другую мишень, и неизвестно, что или кто бы стал ею. Несмотря на то, что эти машины были самой высокой точкой на строительном участке, не было ни одного случая попадания молнии в кран – лето в предыдущие годы не баловало.
В этом году аномально теплый сентябрь привел не один грозовой фронт. С другой стороны, целиком уповать на столь внушительный «громоотвод» не стоит – не редки случаи, когда громовержец целится не туда.

Когда небоскреб в грозу опасен

Вот впечатляющий кадр с грозой, сделанный совсем недалеко от башни. Кроме собственно молнии и небоскреба тут запечатлена и единственная, но потенциально очень опасная ситуация.

image

Башня — не дерево, но во время грозы настоятельно необходимо укрыться в здании и абсолютно точно не выцеливать впечатляющие кадры из амфитеатра или с какого-нибудь газона рядом с небоскребом, когда площадка будет открыта, отмахиваясь познанием, что Лахта Центр в случае чего выступит громоотводом. Есть подсчеты, согласно которым до половины пострадавших от ударов молнией прятались под высокими деревьями. На этом же кадре видно, как основной удар приходится не в шпиль, а в землю или в залив за башней.
А на этом видео — как молния меняет направление на разных отрезках. Молнии передвигаются «отрезками» в несколько десятков метров и на любом из этих участков могут изменить направление.

Когда-нибудь Марти отправится домой

Больше всего про молнии знают школьники, а меньше всего – ученые. Для первых – параграф в учебнике, для последних – настоящая терра инкогнита. В научном сообществе обсуждает темные, невидимые молнии – очень редкие и мощные, спрайты, джеты и эльфы – явления во время грозы в верхних слоях атмосферы и внутри грозового облака, положительные молнии – от земли в небо, шаровые молнии, их космическое происхождение…

Фотоисточник image
Первое цветное изображение спрайта, снятое в околоземной атмосфере.

С их разгадкой одна беда – поймать молниеносного изучаемого невероятно сложно. Тайн очень много. В этом году на МКС отправили специальный комплекс, который будет изучать световые явления в верхних слоях атмосферы. Никто не знает, где он ударит в следующий раз, а сама вспышка длиться миг. Нужно искать места, где вероятность застать молнии наиболее высока. С нижними – по старинке. Инженеры General Electric оборудовали лабораторию на 102 этаже башни – оттуда делали замедленную съемку вспышек, результаты использовались в проекте по изучению скачков напряжения в электросетях во время гроз. Одним из таких мест в свое время был Empire State Building. Вот такой вклад небоскребов в научное дело.

image
Фото — Museum of Innovation and Science Schenectady

Они могут отправить Марти домой и бесплатно зарядить лампочки. Вообще, молнии могут быть очень полезны.

image

Тогда мы достанем аккумуляторы, поставим их на башне и станем еще более дружественны к экологии и энергоэффективны, чем сейчас. Надеемся, когда-то с молниями будет установлен не только вооруженный нейтралитет, но и настоящая дружба. Да, кстати, нас можно поздравить – на днях Лахта Центр стал первым российским небоскребом, получившим наивысший уровень Platinum в международной системе зеленой сертификации LEED.

image

***
За помощь в подготовке материала спасибо уходит нашим специалистам — Дмитрию Матвееву, руководителю направления по фасадным и металлическим конструкциям и Василию Балакшину, руководителю направления по электрическим системам АО «МФК Лахта Центр»

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть