Немецкие биоинженеры решили проверить влияние дождя на выживаемость при попадании молнии и пропустили импульсный ток через трехсоставную модель человеческой головы. Оказалось, что мокрая голова снижает воздействие тока до начала пробоя, а также предотвращает перегрев головы, что потенциально может повысить выживаемость человека. Исследование опубликовано в журнале Scientific Reports.
В истории задокументировано множество случаев поражения людей молниями, лишь пять процентов из них вызваны прямым попаданием молнии. Еще тридцать процентов вызваны боковой вспышкой, например, по воздуху от дерева с высоким внутренним сопротивлением, при этом касаться его вовсе не обязательно. Отдельный механизм — если между объектом и пострадавшим был прямой контакт. Однако в половине всех случаев ответственным за поражение будет шаговое напряжение через землю.
Не так давно был открыт еще один механизм поражения молнией через восходящий стример, который возникает в проводящей поверхности при приближении молнии, но до ее удара в землю. В первую очередь при поражении молния задействует нервы и кровь как самые электропроводные части организма, а потому многие пострадавшие умирают от сердечного приступа, а не от перегрева. При этом смертность при попадании молнии составляет 10–30 процентов. Основным механизмом защиты от поражения молнией ученые считают поверхностный пробой, в результате чего ток протекает очень быстро и не заходит вглубь организма.
Рассмотреть влияние дождевой воды на процесс поверхностного пробоя решили биоинженеры под руководством Йенса Хауайзена (Jens Haueisen) из Технического университета Ильменау. Для этого они построили две физических модели человеческой головы из трех частей, соответствующих скальпу, черепу и мозгу. Основной материал состоял из двухпроцентного геля агарозы с разным количеством хлорида натрия и технического углерода или графита для обеспечения подобия проводимости и диэлектрической проницаемости. Так, модель мозга была самой
электропроводной, тогда как череп обладал наименьшей проводимостью, а скальп — промежуточной. Каждую из двух голов (одну покрывали 0,0025 процентным раствором хлорида натрия перед каждым экспериментом, а вторую оставляли без изменений) ученые поместили на четыре электрода: один внешний и по внутреннему в каждом из слоев. Провод зажигания состоял из меди и находился на расстоянии в четыре миллиметра от головы, а разряд фиксировали с помощью фотоаппарата.
Чтобы моделировать воздействие молнии, инженеры поместили модели головы в камеру генератора положительного импульсного тока с максимальной силой тока в 42 килоампера и напряжением в 12 киловольт, что эквивалентно энергии в 150 килоджоулей на один разряд. Каждая голова подвергалась десяти электрическим ударам. Авторы подчеркивают, что несмотря на то, что большинство молний являются отрицательными, положительные молнии обладают большей энергией, а значит, они в своей модели рассматривают худший случай поражения молнией — прямой и положительный.
В результате каждого эксперимента ученые наблюдали возникновение искрового пробоя и ток протекал через внешний электрод, при этом каждый разряд выглядел уникально. В экспериментах с сухой головой напряжение резко росло до 12 киловольт за 1,2 микросекунды, а ток на внутренних электродах возрастал в течение 32,6 микросекунды, после чего спадал до нескольких ампер, однако общая сила тока и сила тока на внешнем электроде начинала возрастать только после этого периода задержки. В четырех из десяти случаев на электроде скальпа наблюдалось не падение тока после периода задержки, а резкое возрастание до нескольких килоампер.
В экспериментах с влажной головой напряжение также выросло за 1,2 микросекунды, однако задержка протекала быстрее — за 30,5 микросекунды. В половине случаев наблюдалось изменение тока на электроде скальпа до 9,1–10,4 килоампера. При усреднении значений силы тока на электроде мозга мокрой головы было получено среднее значение в 93,5 ампера, тогда как в сухой голове ток доходил до 110,3 ампера.
спределение тока внутри головы также изменилось. В сухой голове 81,3 процента тока протекал через скальп, 5,8 процента — через череп, а 12,8 процента через мозг, тогда как в мокром уже 90,3 процента тока протекало через скальп, 3,2 процента через череп, а через мозг — 6,4 процента. Однако стоит заметить, что в среднем через мокрый скальп протекало почти в два раза больше тока, чем через сухой. Визуально на моделях головы были заметны ударные деформации. Сухая голова становилась совсем сухой и пористой, тогда как влажная все еще сохраняла остатки воды. В сухой голове ученые насчитали девять деформаций и даже четыре разрыва скальпа, тогда как на влажном скальпе было лишь четыре небольших деформации.
Таким образом, ученые обнаружили, что под дождем действительно может наблюдаться меньшая вероятность быть серьезно пораженным молнией, однако у этого исследования есть несколько серьезных ограничений и допущений. Во-первых, распределение воды на поверхности тела под дождем может быть неоднородным и помочь лишь частично от перегрева, во-вторых, реальная молния хоть и действует несколько наносекунд, но обладает на порядок большим напряжением в несколько мегавольт, соответственно в процессе поражения реальной молнией могут сыграть и другие эффекты — но и пробой может протекать с большей вероятностью. В следующих работах авторы планируют оснастить модель головы волосами и добавить анизотропию проводимости в белом веществе мозга, а также борозды с извилинами для лучшего моделирования свойств.
И пока одни ученые моделируют молнии с помощью генератора импульсного тока, другие призывают ее с помощью лазера. Из 16 молний, ударивших в башню в Швейцарии за время наблюдения, четыре были стимулированы лазером.
В истории задокументировано множество случаев поражения людей молниями, лишь пять процентов из них вызваны прямым попаданием молнии. Еще тридцать процентов вызваны боковой вспышкой, например, по воздуху от дерева с высоким внутренним сопротивлением, при этом касаться его вовсе не обязательно. Отдельный механизм — если между объектом и пострадавшим был прямой контакт. Однако в половине всех случаев ответственным за поражение будет шаговое напряжение через землю.
Не так давно был открыт еще один механизм поражения молнией через восходящий стример, который возникает в проводящей поверхности при приближении молнии, но до ее удара в землю. В первую очередь при поражении молния задействует нервы и кровь как самые электропроводные части организма, а потому многие пострадавшие умирают от сердечного приступа, а не от перегрева. При этом смертность при попадании молнии составляет 10–30 процентов. Основным механизмом защиты от поражения молнией ученые считают поверхностный пробой, в результате чего ток протекает очень быстро и не заходит вглубь организма.
Рассмотреть влияние дождевой воды на процесс поверхностного пробоя решили биоинженеры под руководством Йенса Хауайзена (Jens Haueisen) из Технического университета Ильменау. Для этого они построили две физических модели человеческой головы из трех частей, соответствующих скальпу, черепу и мозгу. Основной материал состоял из двухпроцентного геля агарозы с разным количеством хлорида натрия и технического углерода или графита для обеспечения подобия проводимости и диэлектрической проницаемости. Так, модель мозга была самой
электропроводной, тогда как череп обладал наименьшей проводимостью, а скальп — промежуточной. Каждую из двух голов (одну покрывали 0,0025 процентным раствором хлорида натрия перед каждым экспериментом, а вторую оставляли без изменений) ученые поместили на четыре электрода: один внешний и по внутреннему в каждом из слоев. Провод зажигания состоял из меди и находился на расстоянии в четыре миллиметра от головы, а разряд фиксировали с помощью фотоаппарата.
Чтобы моделировать воздействие молнии, инженеры поместили модели головы в камеру генератора положительного импульсного тока с максимальной силой тока в 42 килоампера и напряжением в 12 киловольт, что эквивалентно энергии в 150 килоджоулей на один разряд. Каждая голова подвергалась десяти электрическим ударам. Авторы подчеркивают, что несмотря на то, что большинство молний являются отрицательными, положительные молнии обладают большей энергией, а значит, они в своей модели рассматривают худший случай поражения молнией — прямой и положительный.
В результате каждого эксперимента ученые наблюдали возникновение искрового пробоя и ток протекал через внешний электрод, при этом каждый разряд выглядел уникально. В экспериментах с сухой головой напряжение резко росло до 12 киловольт за 1,2 микросекунды, а ток на внутренних электродах возрастал в течение 32,6 микросекунды, после чего спадал до нескольких ампер, однако общая сила тока и сила тока на внешнем электроде начинала возрастать только после этого периода задержки. В четырех из десяти случаев на электроде скальпа наблюдалось не падение тока после периода задержки, а резкое возрастание до нескольких килоампер.
В экспериментах с влажной головой напряжение также выросло за 1,2 микросекунды, однако задержка протекала быстрее — за 30,5 микросекунды. В половине случаев наблюдалось изменение тока на электроде скальпа до 9,1–10,4 килоампера. При усреднении значений силы тока на электроде мозга мокрой головы было получено среднее значение в 93,5 ампера, тогда как в сухой голове ток доходил до 110,3 ампера.
спределение тока внутри головы также изменилось. В сухой голове 81,3 процента тока протекал через скальп, 5,8 процента — через череп, а 12,8 процента через мозг, тогда как в мокром уже 90,3 процента тока протекало через скальп, 3,2 процента через череп, а через мозг — 6,4 процента. Однако стоит заметить, что в среднем через мокрый скальп протекало почти в два раза больше тока, чем через сухой. Визуально на моделях головы были заметны ударные деформации. Сухая голова становилась совсем сухой и пористой, тогда как влажная все еще сохраняла остатки воды. В сухой голове ученые насчитали девять деформаций и даже четыре разрыва скальпа, тогда как на влажном скальпе было лишь четыре небольших деформации.
Таким образом, ученые обнаружили, что под дождем действительно может наблюдаться меньшая вероятность быть серьезно пораженным молнией, однако у этого исследования есть несколько серьезных ограничений и допущений. Во-первых, распределение воды на поверхности тела под дождем может быть неоднородным и помочь лишь частично от перегрева, во-вторых, реальная молния хоть и действует несколько наносекунд, но обладает на порядок большим напряжением в несколько мегавольт, соответственно в процессе поражения реальной молнией могут сыграть и другие эффекты — но и пробой может протекать с большей вероятностью. В следующих работах авторы планируют оснастить модель головы волосами и добавить анизотропию проводимости в белом веществе мозга, а также борозды с извилинами для лучшего моделирования свойств.
И пока одни ученые моделируют молнии с помощью генератора импульсного тока, другие призывают ее с помощью лазера. Из 16 молний, ударивших в башню в Швейцарии за время наблюдения, четыре были стимулированы лазером.
