Гръм и мълнии

Проф. д.т.н. Стефан Илиев /1928 - 2021/, РОСТИ ЕООД

Съществува ли опасност при използване на GSM-апарат в мълниеактивна зона?

Защитата на човек, оказал се в мълниеактивна зона у нас е интересна тема за всекиго, но е особено актуална за служителите на ютилити компаниите при достъп в отдалечени или недостъпни райони.

Масовите информационни средства и други институции предлагат съобщения за нанесени щети, както и напътствия за избягване на опасност за хора и животни попаднали в такава мълниеопасна среда: в планината, на море и жилищни условия. Големите затруднения за провеждане на лабораторни и в естествени условия научни изследвания правят някои твърдения дискусионни и неубедителни.

Ето защо, ще анализираме и ще потърсим отговор на въпроса съществува ли опасност при използване на GSM-апарат в мълниеактивна зона, необходимо ли е и кога да изключваме мобилните телефони в такива случаи [1].


Условия за протичане на мълния

За реалистичност на изчисленията ни нека разгледаме случая, когато само съпротивлението на човека R_човек се променя от някои фактори, които той волно или неволно включва в мълниеобстановката. Съпротивлението R_мълния между облака и земята, трябва да стане по-малко от R_{критично}, за да протече мълния между тях.

Представено с формули, това изглежда по следния начин:

R_{критично} = R_мълния <= R_въздух + R_човек

където
R_въздух – съпротивление на въздушния слой над човека, прието за постоянно
R_човек – съпротивление на човека, което се променя от фактори зависещи от неговото поведение: чадър, облягане на метални перила, тръби, влага, GSM-апарат и др.


Мълния в сложно електро-магнитно поле

Комплексните характеристики на поставената задача изисква да се изследва сумарното електро-магнитно поле около човека-мълниеприемник съставено от следните компоненти:

• електро-магнитно поле създадено от наелектризираните облакземя в мълниеактивната зона;
• електро-магнитно поле на комуникационната клетъчна мрежа, включваща и полето от GSM-апарата.

Безспорен критерий за оценка влиянието на електро-магнитните полета е напрежеността Е V/m. Този показател характеризира момента, в който настъпва йонизиране на въздушната среда, променяща електрическото съпротивление и създава условия за мълния.


Изследване електромагнитното поле на облак-земя

Изследването за влияние на напрежеността на полето E V/m и съответно протичащия ток в милиампери при йонизиране на въздуха (този процес е известен още като „корона“ ефект), се извършва при следната опитна постановка: между два елек-трода, на определено разстояние един от друг се включва постоянно напрежение. Измерва се токът в зависимост от стъпаловидното повишение на напрежението и съответно напрежеността E V/m. Подобни изследвания са направени в [2], при следните опитни условия: единият електрод е мълниеприемник при различни изпълнения – топка, елипсоид, щанга и др., а другият е плот на 3 метра височина.

От зависимостите е видно, че до E =10 kV/m ток не протича, т.е. няма йонизационен процес, за всички опитно изследвани видове мълниеприемници. След това йонизационният процес расте, но без съществена разлика между видовете мълниеприемници.

Тези изследвания дават основание да се направи следната съществена констатация за електромагнитното поле, създадено от наелектризираните облак-земя в мълниеактивната зона: за напреженост 0 < Е < 10 kV/m няма йонизационен процес в мълниеактивната зона при посочените видове мълниеприемници. Това заключение може да се приеме и за „крачещия“ мълниеприемник човек, предвид широката гама конструктивни изпълнения на изследваните мълниеприемници.


Електро-магнитни полета

За улеснение, нека изясним някои от условията на задачата. Човекът в ролята на „крачещ“ мълниеприемник ще носи само GSM-апарат. Телефонът работи като приемник, когато е избиран от друг абонат и като предавател – приемник, по време на разговор с друг абонат на комуникационната мрежа.

Максимално допустимите нива на електрически, магнитни и електро-магнитни полета в жизнена среда са дадени в [3]. Te са за четири зони на въздействие върху човека, в зависимост от времето на пребиваването му в условията на електро-магнитни полета.

Първа зона предвижда кратковременно пребиваване, трудно достъпни места за кратко време, планински райони, покриви на сгради, мачти, кули. Тази зона предвижда по-високи изисквания за присъствия на хора в електромагнитно поле отколкото в останалите зони. Ето защо, оценката за допустимост за пребиваване на хора ще бъде направено за нея.

Понастоящем, актуалните GSM-мрежи работят с честоти 900 Mhz до 1800 MHz, а UMTS - мрежи с 2 GHz [4]. Съгласно тази международно приетата Наредба, референтните стойности за първа зона на въздействие и посочените честоти за GSM-мрежи се отчита за 400 MHz - 2000 MHz електрическата напреженост Е V/m = 1,375 f ½, където f MHz - работна честота на мрежата, E V/m = 61 V/m за GSM-мрежи над 2000 MHz.

Следователно за реалните GSM-мрежи се определят следните стойности на Е GSM V/m:
E900V/m = 41,25 V/m
E1800V/m = 58,34 V/m
E2000V/m = 61 V/m


Мълние-животоопасна зона

Въвеждането на това определение дава по-голяма яснота при обсъждане на резултатите от анализа, изводите и препоръките за защита от мълнии.

Известно е [5,6], че интервалът между светкавицата и гръмотевицата дава информация за близостта на попадение на мълнията. При скорост на светлината от около 300000 кm/s и скорост на звука около 330 m/s, една секунда интервал съответства на около 330 m от мястото на попадение на мълнията.
При интервал от около 5 сек. т.е. oколо 1,6 км, опасността става много голяма и се изисква да се предприемат някакви защитни мероприятия (клякане, отстраняване допир с метални огради, парапети и др.), тъй като човек е попаднал в бързо променяща се съобразно атмосферните условия мълние-животоопасна зона.

Ето защо, за интервал от 5 секунди между попадането на мълнията и звука от него, тази зона се дефинира като кръг с радиус около 1,6 км и център мястото на мълниепопадението.


Да говорим ли или не по време на буря?

Въз основа на направения анализ, могат да се направят следните съществени изводи:

1. Йонизационен процес във въздушна среда между два полюса настъпва, когато напрежеността на електромагнитното поле Е е над 10000 V/m.

2. Понастоящем, в реалните GSM-мрежи електромагнитното поле е с напреженост 40 < ЕGSM < 61, която не е в състояние самостоятелно да предизвика йонизационен процес

3. Ако в мълние-животоопасната зона напрежеността Е се надбави с Е от GSM-апарат, е възможно теоретично същата да стане по-висока от критичната и развие мълния.

Ето защо само когато „крачещата“ антена-човек е с GSM-апарат и е в мълниеживотоопасната зона, трябва да изключи своя апарат. Трябва да се има предвид обаче факта, че комуникативните възможности на GSM-апарата могат да се използват безопасно, ако човек е в кола, автобус, влак, сграда с мълниеприемник.


Литература

1. Тенчева, Диана, Най-много гръмотевици, в.“Труд“, 29.07.2008.

2. Friedhelm Naack, Über die Wirksamkeit von ESEFangeinrichtungen, Blitz- und Überspannungsschutz-Massnahmen der EVM, 7 Forum für Versicherer, 23 und 24 Februar 2000 in Neumarkt.

3. Наредба за максимално допустимите нива на електрически, магнитни и електромагнитни полета в жизнената среда, Министерство на здравеопазването.

4. Dehn+Söhne, Dehn schutzt Antennenleitungen, Copyright 2011, Dehn+Söhne

5. Dehn+Söhne, Leben mit Blitzen, Copyright 2006, Dehn+Söhne.

6. Илиев, Стефан, Укротяване на мълнията, в. „24 часа“, 13.07 2005.