Každou hodinu udeří na zemi ca.1 milion blesků (denně 25 milionů).

Blesk – slovo pocházející z indogermánského slova bhlei = svítit je fascinující fenomén, se kterým se lidstvo zabývá od počátku své existence.

Snaha o jeho pochopení se promítla v mytologii z období starověku. V ní byl zničující účinek blesku prezentován jako ohnivý paprsek doprovázený vše rozmetajícím hromovým klínem, který je vrhán rozhněvaným božstvem.

Prvními kroky vedoucími k vědeckému poznání mechanismu bleskového výboje byly pokusy s elektřinou, vzniklé třením dvou předmětů z rozličných materiálů. Elektrický účinek vzniklý třením jantaru byl znám ve starověkém Řecku již kolem roku 600 př. n. l.

Teprve vynálezy rotačního elektrostatického generátoru, zdroje elektrického náboje, a Leydenské láhve, zásobníku elektrického náboje, tedy energie, umožnily získanou elektřinu koncentrovat, tak že bylo možné pozorovat praskající jiskření.

V roce 1670 sestavil Otto von Guericke první generátor se sirnou koulí, stroj znázorňoval analogii laboratorního elektrostatického výboje a skutečného bleskového výboje.

V roce 1698 představil William Wall ucelenou hypotézu, že pokud se bude třít dostatečně velký kus jantaru  vznikne, obdobně jako při bouřce, blesk a hrom. Profesor Johann Heinrich Winkler publikoval v roce 1746 názor, že příčinou bouřky je elektrický výboj mezi mrakem a zemí.

Teprve americký politik, spisovatel a badatel Benjamin Franklin navrhl v dopise, který zaslal 29. července 1750 Peteru Collinsonovi z Royal Society London, slavný experiment dokazující elektrický původ bouřky a blesku: Osoba stojící na izolační podložce se během bouřky nabíjí pomocí kovové tyče a začne generovat jiskrové výboje.

Při obdobných pokusech se ukázalo, že jiskry vznikající tímto způsobem byly ve všech ohledech identické s jiskrami způsobenými třením.

Ačkoliv již B. Franklin varoval před možným nebezpečím, došlo při pokusech k těžkým úrazům, následkem kterých, např. v srpnu 1753 zahynul petěrburgský fyzik Georg Wilhelm Richmann: blesk udeřil do kovové tyče a přes tělo vědce prošel do země.

Pokusy s tyčemi poskytly mnoho vědeckých podkladů a vedly ke vzniku fyzikálně zdůvodněných opatření na ochranu osob a objektů před bleskem.

Obdivuhodné ochranné účinky kovového pláště jsou známy dříve než elektrická podstata bleskového výboje.

Podle židovské legendy je Mojžíš (ca 1300 před n. l.) líčen jako velký „experimentátor“, neboť nabil velký kondenzátor atmosférickou elektřinou a jehož výboje trestaly hříšníky. V období velkých svátků usedl do pozlacené truhly umístěné v kovové kleci a nechal se nést okolo tohoto kondenzátoru. Přeskakující jiskry mu neublížily. Další informaci o ochranné kovové konstrukci lze nalézt ve Flaviově knize ( 100 – 37 př. n. l.) „Dějiny židovského národa“. Nedlouho po objevu vodičů a nevodičů Stephenem Grayem předložil v roce 1753 Heinrich Winkler první návrhy hromosvodů.

V dějinách hromosvodů však na prvním místě stojí Prokop Diviš (1696 -1765) a Benjamin Franklin (1706 -1790).

Zkušenosti získané výzkumem vedly východočeského premonstrátského mnicha Prokopa Diviše v roce 1754 ke zřízení stroje na odvracení bouří. 10 m vysoký dřevěný stožár byl osazen systémem 216 hrotů, které byly uzemněny řetězem. Sloužily k trvalému „vysávání“ elektrického náboje z mraků. Podle nejnovějších znalostí o blesku by však  tento „stroj“ dokázal ochránit objekty i před „nejsilnějšími“ blesky. Prvenství Prokopa Diviše je bezesporu v použití uzemnění jímače při ochraně před bleskem.

V roce 1750 dospěl B. Franklin k závěru, že budovy, kostely a lodě musí být na nejvyšších místech vybaveny tyčemi s ostrými hroty, které se musí spojit se zemí drátem vedoucím mimo budovu. Toto uspořádání má za úkol nejen pouze vybíjet bouřkový mrak, nýbrž zachytit blesk a bezpečně jej svést mimo budovu do vlhké země. Předepisovaná délka tyčí a nutnost propojení dvou tyčí hřebenovým drátem dokazuje, že Franklin měl představu o omezeném ochranném účinku jímacích tyčí. První Franklinova jímací tyč byla sestrojena v roce 1760.

Po počátečních pokusech se konstrukce hromosvodu ustálila na systému jímače-svody-zemniče, jak je patrné na obr 1 a 2. Kromě ochrany budov byla od konce 19. století věnována pozornost elektrickým zařízením.

Skutečný zlom v hromosvodní technice nastal v druhé polovině našeho století, kdy nastalo masové nasazení elektroniky. Elektronické prvky a součásti jsou neobyčejně citlivé na  změny elektrického pole a mohou být zničeny přepětím o hodnotě několika voltů; prudký růst škodních událostí  vedl k poznatku, že běžný hromosvod nestačí tato zařízení chránit, a proto vznikl požadavek doplnění hromosvodu o další stupeň, vnitřní ochranu před bleskem.

Souvislost nárůstu škod vzniklých přepětím a se zvyšováním integrace polovodičových prvků je znázorněna na obr. 3 a 4.

Ochrana před bleskem se prudce vyvíjí a neustále nové poznatky vedou k nutnosti rozšiřovat základní vědomosti. Čistě řemeslný obor se mění na vysoce specializovaný elektrotechnický obor.

Dříve než přistoupíme k diskusi o ochraně před bleskem, připomeneme mechanismy vedoucí ke vzniku bouřky a blesku.

Bouřky jsou rozlišeny podle vzniku na:

• bouřky z tepla, kdy se v určitých místech zahřívá povrch země intenzivním slunečním zářením a ohřáté vrstvy vzduchu pak jako lehčí stoupají vzhůru;
• bouřky frontální, při nichž následkem postupu studené fronty vytlačuje studený vzduch teplý vzduch směrem nahoru;
• bouřky orografické, při nichž jsou spodní vrstvy teplého vzduchu následkem terénního vyvýšení vytlačovány větrem vzhůru.

Ve všech těchto případech dochází ke vzniku bouřkových buněk v mracích (typický bouřkový mrak, kumulonimbus, má květákový tvar), protože vertikální pohyb vzduchu je dále zesilován dvěma jevy. Stoupající vzduch je ochlazován, až dosáhne teploty nasycení vodních par; dochází k vytvoření kapek a při kondenzaci se vzduch znovu ohřeje, takže znovu začíná stoupat. Dalším ochlazováním dochází k poklesu teploty pod nulu; mrznutí znamená nové uvolnění tepla a stoupání vzduchu se dále zrychluje až k rychlostem okolo 10 km/hod.

Přitom dochází ke vzniku a rozdělování elektrických nábojů v kapičkách vody nebo ledu. Kladně nabité částečky jsou zpravidla „lehčí“ než záporné, a to znamená, že se v bouřkovém mraku oddělí oblasti s kladným nábojem nahoře (část jich však zůstává úplně dole) a záporným nábojem uprostřed. Z fyzikálního hlediska je bouřkový mrak obrovský generátor elektrostatické elektřiny, kde každá buňka je schopná produkovat průměrně dva až čtyři blesky za minutu, intenzita elektrického pole dosahuje řádově stovky kV/m.

Počet bouřek je různý v závislosti na mechanismu vzniku. Obecně klesá s rostoucí zeměpisnou šířkou; vysvětlení lze najít ve skutečnosti, že pravděpodobnost bouřky při  teplotě 27°C je vyšší než při 25°C. V hornatém terénu je počet bouřek též vyšší než na rovině.

Blesky lze rozdělit do čtyř skupin, které se liší jak v mechanice, tak v parametrech viz. obr.

Nejčastějším a nejznámějším atmosférickým výbojem je čárový blesk, negativní výboj mezi mrakem a zemí (obr. 5.A).

Ze záporného centra náboje ve spodní části mraku se při napětí mezi mrakem a zemí dosahujícím několika stovek milionů voltů posouvá směrem k zemi válcovitá „hadice“ o průměru až několik desítek metrů naplněná nábojem, uvnitř s plazmovým jádrem o průměru  okolo 1 cm. Tento vůdčí výboj postupuje rychlostí asi 300 km/s, a to trhaně po desítkách metrů s pauzami několika desítek mikrosekund (obr. 6.1). Když se přiblíží k zemi na vzdálenost několika desítek a stovek metrů, zvýší se na špičkách blízkých stromů nebo domů intenzita elektrického pole natolik, že dojde k překročení elektrické pevnosti vzduchu a vzhůru vyrazí vstřícný výboj (obr. 6.2), který se setká se sestupujícím vůdčím výbojem a vytvoří bleskový kanál (obr. 6.3). Tím je určena dráha blesku a místo úderu. Vstřícný výboj se takto vytvořenou drahou „prokusuje“ vzhůru do mraků rychlostí asi jedné třetiny rychlosti světla. Teprve tento jev je vnímán jako viditelný světelný bleskový výboj (hlavní bleskový výboj, obr. 6.4). Bleskový kanál se zahřívá na teplotu několika desítek tisíc stupňů Celsia a má průměr několika centimetrů. Tlak vzduchu se zvýší na stonásobek normálního tlaku, což vnímáme jako zahřmění.

Negativní blesk je výboj mezi nižší vrstvou mraků a zemí, pozitivní blesk vyšlehne mezi vyšší vrstvou mraků (spodní vrstva bývá odfouknuta) a zemí, proto má zpravidla vyšší energii (obr. 5).

Bleskový kanál  funguje jako „silový kabel“  a vyzařuje elmag. pole. Jedním kanálem proběhne často několik dílčích výbojů  postupně vybíjejících další oblasti mraku.

****info parametry bleskového proudu*********

Parametry bleskového proudu se vypočítávají z jeho časového průběhu . Typický průběh výboje je znázorněn na obr. 1. (obr. 3.2f a 3.2g)

V laboratorních podmínkách je bleskový výboj simulován pomocí rezonančních obvodů jako souhr impulsních a dlouhotrvajících proudů. Principiální schémata zkušebních obvodů a laboratorních průběhů jsou znázorněny na obr. 2. (obr. 15.3abcd)

Maximální hodnota proudu 1. dílčího výboje dosahuje řádově desítek kA a jeho doba trvání je kratší než 2 ms.

Proudy následných dílčích výbojů mají již maximální hodnotu nižší. Jednotlivé prodlevy mezi dílčími výboji jsou zhruba 100 ms.

„Proudový ocas “ je definován jako  dlouhotrvající „stejnosměrný“ proud s dobou trvání do 500 ms.

**************************

Měřítkem pro posouzení bouřkové činnosti je počet bouřkových dní, tzv. keraunická úroveň. Její hodnota je stanovena dlouholetým pozorováním, avšak značné okamžité odchylky si vynutily přesnější způsob měření.

Jedním z nich je systém monitorování blesků pracující na principu změn elektromagnetického pole (BLIDS – Blitz Informations Dienstleistung Siemens) :

Elektromagnetické pole bleskového výboje vytvoří vlnu, která je zaregistrována přijímacími anténami vzájemně propojených monitorovacích stanic. Podle vzdáleností od jednotlivých stanic dorazí vlna s různým zpožděním a na základě této časové diference lze spočítat místo úderu blesku s přesností na 100 m.

Systém nejen že lokalizuje blesky, ale dokáže je analyzovat s obdivuhodnou přesností: Např. výpadek řídicí věže způsobil blesk, který sjel ve vzdálenosti 100 m od věže; v bleskovém kanálu proběhlo 5 výbojů, které se opticky jevily jako jeden silný blesk. Monitor centrálního počítače navíc monitoruje bouřkovou frontu a křížky označují blesk. Databáze slouží pojišťovnám k ověřování oprávněnosti hlášení pojistných událostí a montážním organizacím k lokalizaci závad na vedeních způsobených úderem blesku.

Na základě analýzy účinků bleskového proudu lze odvodit i hlavní úkoly hromosvodní ochrany.

Úder blesku se zpravidla skládá z více dílčích výbojů. Během hlavního výboje protéká zasaženým objektem vysoký krátkodobý rázový proud (desítky až stovky kA), v dalším průběhu pak další dílčí výboje a mezi nimi „stálý“ proud hodnoty stovek ampérů, který odpovídá proudu při svařování.

Nenajde-li blesk při své cestě k zemi žádné elektricky vodivé spojení se zemí, mohou se předměty jím protékané zahřát natolik, že dosáhnou teploty zapálení (zapalující blesk). Zvláště lehce mohou vznítit doškové střechy, uskladněné hořlavé látky apod.

Prochází-li blesk např. vlhkým dřevem (stromy, trámy) nebo zdivem (komíny, střechami, zdivem), mohou explodovat rychle se vyvíjející páry a tím dojít nejen k poškození nebo zničení komínů, střešních tašek, ale též celých střech, zdí a kmenů.

Rovněž elektrická instalace v budově a k ní připojená zařízení bývají poškozována jak silovým působením bleskového proudu, tak přepětím indukovaným do instalačních smyček.

Paradoxem je, že následné škody velmi často převyšují škody přímé.

Úkolem tradiční hromosvodní ochrany je obecně snižovat rizika škod způsobených bleskem:

• vzniku požáru a případného následného výbuchu,
• vzniku mechanických škod,
• ochrany osob a zvířat uvnitř objektu a v jejich blízkosti.

V moderním pojetí ochrany před bleskem je navíc obsažen požadavek snižování rizika poškození elektronických zařízení uvnitř objektu.

 

Článek byl zveřejněn v časopise Český instalatér.

Použitá literatura:
[1] Rous Z., Sedláček S., Marks W.: Hromosvody a zemniče, STRO.M Praha 1996
[2] DIN VDE 0185/11.82: Blitzschutzanlage – Teil 1: Allgemeines für das Errichten – Teil 2: Errichten besonderer Anlagen. VDE-Verlag, Berlin.
[3] IEC 1024-1/03.90: Protection of structures against lightning. Part 1: General principles. International Electrotechnical Commission, 3, Rue de Varembe, 1211 Geneva, Switzerland.
[4] Hasse, P.;  Wiesinger, J.: Handbuch für Blitzschutz und Erdung. 3., vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage (1989), R. Pflaum Verlag KG, München; VDE-Verlag, Berlin.
[5] Firemní materiály firmy Dehn + Söhne
[6] Časopis GEO svazek 6/94