Lightning Physics and Lightning Protection

328 Pages·2001·37.31 MB·English

by  Eduard M. Bazelyan

LLiigghhttnniinngg PPhhyyssiiccss aanndd
LLiigghhttnniinngg PPrrootteeccttiioonn
EE MM BBaazzeellyyaann
aanndd
VYuu PP RRaaikzeerr
lIOoPP
IInnssttiittuuttee ooff PPhhyyssiiccss PPuubblliisshhiinngg
BBrriissttooll aanndd PPhhiillaaddeellpphhiiaa
Copyright © 2000 IOP Publishing Ltd.
© lIOOPP PPuubblliisshhiinngg LLttdd 22000000
AAllll rriigghhttss rreesseerrvveedd.. NNoo ppaarrtt ooff tthhiiss ppuubblliiccaattiioonn mmaayy bbee rreepprroodduucceedd,, ssttoorreedd iinn aa
rreettrriieevvaall ssyysstteemm oorr ttrraannssmmiitttteedd iinn aannyy ffoorrmm oorr bbyy aannyy mmeeaannss,, eelleeccttrroonniicc,,
mmeecchhaanniiccaall,, pphhoottooccooppyyiinngg,, rreeccoorrddiinngg oorr ootthheerrwwiissee,, wwiitthhoouutt tthhee pprriioorr ppeerrmmiissssiioonn ooff
tthhee ppuubblliisshheerr.. MMuullttiippllee ccooppyyiinngg iiss ppeerrmmiitttteedd iinn aaccccoorrddaannccee wwiitthh tthhee tteerrmmss ooff
lliicceenncceess iissssuueedd bbyy tthhee CCooppyyrriigghhtt LLiicceennssiinngg AAggeennccyy uunnddeerr tthhee tteerrmmss ooff iittss aaggrreeeemmeenntt
wwiitthh tthhee CCoommmmiitttteeee ooff VViiccee--CChhaanncceelllloorrss aanndd PPrriinncciippaallss..
BBrriittiisshh LLiibbrraarryy CCaattaalloogguuiinngg--iinn--PPuubblilcicaatitoionnDD aattaa
AA ccaattaalloogguuee rreeccoorrdd ffoorr tthhiiss bbooookk iiss aavvaaiillaabbllee ffrroomm tthhee BBrriittiisshh LLiibbrraarryy..
IISSBBNN 00 77550033 00447777 44
LLiibbrraarryy oof fCCoonnggrreessss CCaattaallooggiinngg--iinn--PPuubblliiccaattiioonn DDaattaa aarree aavvaaiillaabbllee
PPuubblliisshheerr:: NNiicckkii DDeennnniiss
CCoommmmiissssiioonniinngg EEddiittoorr:: JJoohhnn NNaavvaass
PPrroodduuccttiioonn EEddiittoorr:: SSiimmoonn LLaauurreennssoonn
PPrroodduuccttiioonn CCoonnttrrooll:: SSaarraahh PPlleennttyy
CCoovveerr DDeessiiggnn:: VViiccttoorriiaa LLee BBiilllloonn
MMaarrkkeettiinngg EExxeeccuuttiivvee:: CCoolliinn FFeennttoonn
PPuubblliisshheedd bbyy IInnssttiittuuttee ooff PPhhyyssiiccss PPuubblliisshhiinngg,, wwhhoollllyy oowwnneedd bbyy TThhee IInnssttiittuuttee ooff
PPhhyyssiiccss,, LLoonnddoonn
IInnssttiittuuttee ooff PPhhyyssiiccss PPuubblliisshhiinngg,, DDiirraacc HHoouussee,, TTeemmppllee BBaacckk,, BBrriissttooll BBSS1I 66BBEE,, UUKK
UUSS OOffffiiccee:: IInnssttiittuuttee ooff PPhhyyssiiccss PPuubblliisshhiinngg,, TThhee PPuubblliicc LLeeddggeerr BBuuiillddiinngg,, SSuuiittee 11003355,,
115500 SSoouutthh IInnddeeppeennddeennccee MMaallll WWeesstt,, PPhhiillaaddeellpphhiiaa,, PPAA 1199110066,, UUSSAA
TTyyppeesseett iinn 1100//1122pptt TTiimmeess bbyy AAccaaddeemmiicc ++ TTeecchhnniiccaall,, BBrriissttooll
PPrriinntteedd iinn tthhee UUKK bbyy JJ WW AArrrroowwssmmiitthh LLttdd,, BBrriissttooll
Copyright © 2000 IOP Publishing Ltd.
CCoonntteennttss
PPrreeffaaccee iixx
11 IInnttrroodduuccttiioonn:: lliigghhttnniinngg,, iittss ddeessttrruuccttiivvee eeffffeeccttss aanndd pprrootteeccttiioonn 11
11..11 TTyyppeess ooff lliigghhttnniinngg ddiisscchhaarrggee 11
11..22 LLiigghhttnniinngg ddiisscchhaarrggee ccoommppoonneennttss 55
11..33 BBaassiicc ssttaaggeess ooff aa lliigghhttnniinngg ssppaarrkk 66
110.44 CCoonnttiinnuuoouuss aanndd sstteeppwwiissee lleeaaddeerrss 99
11..55 LLiigghhttnniinngg ssttrrookkee ffrreeqquueennccyy 1111
11..55..11 SSttrrookkeess aatt tteerrrreessttrriiaall oobbjjeeccttss 1111
11..55..22 HHuummaann hhaazzaarrdd 1111
11..66 LLiigghhttnniinngg hhaazzaarrddss 1122
11..66.1.1 AA ddiirreecctt lliigghhttnniinngg ssttrrookkee 1122
11..66..22 IInndduucceedd oovveerrvvoollttaaggee 1177
11..66.3.3 EElleeccttrroossttaattiicc iinndduuccttiioonn 1188
11..660.44 HHiigghh ppootteennttiiaall iinnffeeccttiioonn 1199
11..66..55 CCuurrrreenntt iinnrruusshh ffrroomm aa ssppaarrkk ccrreeeeppiinngg aalloonngg tthhee
eeaarrtthh’'ss ssuurrffaaccee 2200
11..66..66 AArree lliigghhttnniinngg pprrootteeccttoorrss rreelliiaabbllee?? 2211
11..77 LLiigghhttnniinngg aass aa ppoowweerr ssuuppppllyy 2233
11..88 TToo tthhoossee iinntteennddiinngg ttoo rreeaadd oonn 2244
RReeffeerreenncceess 2266
22 TThhee ssttrreeaammeerr--lleeaaddeerr pprroocceessss iinn aa lloonngg ssppaarrkk 2277
22..11 WWhhaatt aa lliigghhttnniinngg rreesseeaarrcchheerr sshhoouulldd kknnooww aabboouutt aa lloonngg ssppaarrkk 2288
22..22 AA lloonngg ssttrreeaammeerr 3322
22..22..11 TThhee ssttrreeaammeerr ttiipp aass aann iioonniizzaattiioonn wwaavvee 3322
22..22..22 EEvvaalluuaattiioonn ooff ssttrreeaammeerr ppaarraammeetteerrss 3344
22..22..33 CCuurrrreenntt aanndd ffiieelldd iinn tthhee cchhaannnneell bbeehhiinndd tthhee ttiipp 3399
22..220.44 GGaass hheeaattiinngg iinn aa ssttrreeaammeerr cchhaannnneell 4422
vV
Copyright © 2000 IOP Publishing Ltd.
vvii CCoonntteennttss
22..22..55 EElleeccttrroonn--mmoolleeccuulalar r rreeaaccttiioonnss aanndd ppllaassmmaa ddeeccaayy iinn
ccoolldd aaiirr 4455
22..22..66 FFiinnaall ssttrreeaammeerr lleennggtthh 4488
22..22..77 SSttrreeaammeerr iinn aa uunniiffoorrmm ffiieelldd aanndd iinn tthhee ‘'aabbsseennccee’' ooff
eelleeccttrrooddeess 5533
22..33 TThhee pprriinncciipplleess ooff aa lleeaaddeerr pprroocceessss 5599
22..33..11 TThhee nneecceessssiittyy ooff ggaass hheeaattiinngg 5599
22..33..22 TThhee nneecceessssiittyy ooff aa ssttrreeaammeerr aaccccoommppaanniimmeenntt 6611
22..33..33 CChhaannnneell ccoonnttrraaccttiioonn mmeecchhaanniissmm 6644
22..33..44 LLeeaaddeerr vveelloocciittyy 6666
22..44 TThhee ssttrreeaammeerr zzoonnee aanndd ccoovveerr 6677
22..44..11 CChhaarrggee aanndd ffiieelldd iinn aa ssttrreeaammeerr zzoonnee 6677
22..44..22 SSttrreeaammeerr ffrreeqquueennccyy aanndd nnuummbbeerr 7700
22..44..33 LLeeaaddeerr ttiipp ccuurrrreenntt 7711
22..44..44 IIoonniizzaattiioonn pprroocceesssseess iinn tthhee ccoovveerr 7733
22..55 AA lloonngg lleeaaddeerr cchhaannnneell 7755
22..55..11 FFiieelldd aanndd tthhee ppllaassmmaa ssttaattee 7755
22..55..22 EEnneerrggyy bbaallaannccee aanndd ssiimmiillaarriittyy ttoo aann aarrcc 7799
22..66 VVoollttaaggee ffoorr aa lloonngg ssppaarrkk 8811
22..77 AA nneeggaattiivvee lleeaaddeerr 8833
RReeffeerreenncceess 8888
33 AAvvaaiillaabbllee lliigghhttnniinngg ddaattaa 9900
33..11 AAttmmoosspphheerriicc ffiieelldd dduurriinngg aa lliigghhttnniinngg ddiisscchhaarrggee 9911
33..22 TThhee lleeaaddeerr ooff tthhee ffiirrsstt lliigghhttnniinngg ccoommppoonneenntt 9944
33..22..11 PPoossiittiivvee lleeaaddeerrss 9944
33..22..22 NNeeggaattiivvee lleeaaddeerrss 9966
33..33 TThhee lleeaaddeerrss ooff ssuubbsseeqquueenntt lliigghhttnniinngg ccoommppoonneennttss 9988
33..44 LLiigghhttnniinngg lleeaaddeerr ccuurrrreenntt 110000
33..55 FFiieelldd vvaarriiaattiioonn aatt tthhee lleeaaddeerr ssttaaggee 110022
33..66 PPeerrssppeeccttiivveess ooff rreemmoottee mmeeaassuurreemmeennttss 110077
33..66..11 EEffffeecctt ooff tthhee lleeaaddeerr sshhaappee 110077
33..66..22 EEffffeecctt ooff lliinneeaarr cchhaarrggee ddiissttrriibbuuttiioonn 111111
33..77 LLiigghhttnniinngg rreettuurrnn ssttrrookkee 111155
33..77..11 NNeeuuttrraalliizzaattiioonn wwaavvee vveelloocciittyy 111166
33..77..22 CCuurrrreenntt aammpplliittuuddee 111177
33..77..33 CCuurrrreenntt iimmppuullssee sshhaappee aanndd ttiimmee cchhaarraacctteerriissttiiccss 112222
33..77..44 EElleeccttrroommaaggnneettiicc ffiieelldd 112266
33..88 TToottaall lliigghhttnniinngg ffllaasshh dduurraattiioonn aanndd pprroocceesssseess iinn tthhee
iinntteerrccoommppoonneenntt ppaauusseess 112299
33..99 FFllaasshh cchhaarrggee aanndd nnoorrmmaalliizzeedd eenneerrggyy 113311
33..1100 LLiigghhttnniinngg tteemmppeerraattuurree aanndd rraaddiiuuss 113322
33..111 1 WWhhaatt ccaann oonnee ggaaiinn ffrroomm lliigghhttnniinngg mmeeaassuurreemmeennttss?? 113344
RReeffeerreenncceess 113366
Copyright © 2000 IOP Publishing Ltd.
CCoonntteennttss vviiii
44 PPhhyyssiiccaall pprroocceesssseess iinn aa lliigghhttnniinngg ddiisscchhaarrggee 113388
44..11 AAnn aasscceennddiinngg ppoossiittiivvee lleeaaddeerr 113388
44..11..11 TThhee oorriiggiinn 113388
44..11..22 LLeeaaddeerr ddeevveellooppmmeenntt aanndd ccuurrrreenntt 114411
44..11..33 PPeenneettrraattiioonn iinnttoo tthhee cclloouudd aanndd hhaalltt 114444
44..11..44 LLeeaaddeerr bbrraanncchhiinngg aanndd ssiiggnn rreevveerrssaall 114488
44..22 LLiigghhttnniinngg eexxcciitteedd bbyy aann iissoollaatteedd oobbjjeecctt 115500
44..22..11 AA bbiinnaarryy lleeaaddeerr 115500
44..22..22 BBiinnaarryy lleeaaddeerr ddeevveellooppmmeenntt 115522
44..33 TThhee ddeesscceennddiinngg lleeaaddeerr ooff tthhee ffiirrsstt lliigghhttnniinngg ccoommppoonneenntt 115588
44..33..11 TThhee oorriiggiinn iinn tthhee cclloouuddss 115588
44..33..22 NNeeggaattiivvee lleeaaddeerr ddeevveellooppmmeenntt aanndd ppootteennttiiaall ttrraannssppoorrtt 116611
44..33..33 TThhee bbrraanncchhiinngg eeffffeecctt 116666
44..33..44 SSppeecciiffiicciittyy ooff aa ddeesscceennddiinngg ppoossiittiivvee lleeaaddeerr 116688
44..33..55 AA ccoouunntteerrlleeaaddeerr 116699
44..44 RReettuurrnn ssttrrookkee 117711
44..44..11 TThhee bbaassiicc mmeecchhaanniissmm 117711
44..44..22 CCoonncclluussiioonnss ffrroomm eexxpplliicciitt ssoolluuttiioonnss ttoo lloonngg lliinnee
eeqquuaattiioonnss 117755
44..44..33 CChhaannnneell ttrraannssffoorrmmaattiioonn iinn tthhee rreettuurrnn ssttrrookkee 118811
44..44..44 RReettuurrnn ssttrrookkee aass aa cchhaannnneell ttrraannssffoorrmmaattiioonn wwaavvee 118855
44..44..55 AArriissiinngg pprroobblleemmss aanndd aapppprrooaacchheess ttoo tthheeiirr ssoolluuttiioonn 119900
44..44..66 TThhee rreettuurrnn ssttrrookkee ooff aa ppoossiittiivvee lliigghhttnniinngg 119944
44..55 AAnnoommaalloouussllyy llaarrggee ccuurrrreenntt iimmppuullsseess ooff ppoossiittiivvee lliigghhttnniinnggss 119955
44..66 SStteeppwwiissee bbeehhaavviioouurr ooff aa nneeggaattiivvee lleeaaddeerr 119977
44..66..11 TThhee sstteepp ffoorrmmaattiioonn aanndd ppaarraammeetteerrss 119977
44..66..22 EEnneerrggyy eeffffeeccttss iinn tthhee lleeaaddeerr cchhaannnneell 119999
44..77 TThhee ssuubbsseeqquueenntt ccoommppoonneennttss.. TThhee MM--ccoommppoonneenntt 220022
44..88 SSuubbsseeqquueenntt ccoommppoonneennttss.. TThhee pprroobblleemm ooff aa ddaarrtt lleeaaddeerr 220077
44..88..11 AA ssttrreeaammeerr iinn aa ‘'wwaavveegguuiiddee'’?? 220077
44..88..22 TThhee nnoonn--lliinneeaarr ddiiffffuussiioonn wwaavvee ffrroonntt 220099
44..88..33 TThhee ppoossssiibbiilliittyy ooff ddiiffffuussiioonn--ttoo--iioonniizzaattiioonn wwaavvee
ttrraannssffoorrmmaattiioonn 221122
44..88..44 TThhee iioonniizzaattiioonn wwaavvee iinn aa ccoonndduuccttiivvee mmeeddiiuumm 221133
44..88..55 TThhee ddaarrtt lleeaaddeerr aass aa ssttrreeaammeerr iinn aa ‘'nnoonnccoonndduuccttiivvee
wwaavveegguuiiddee'’ 221155
44..99 EExxppeerriimmeennttaall cchheecckkuupp ooff ssuubbsseeqquueenntt ccoommppoonneenntt tthheeoorryy 221177
RReeffeerreenncceess 221199
55 LLiigghhttnniinngg aattttrraaccttiioonn bbyy oobbjjeeccttss 222222
55..11 TThhee eeqquuiiddiissttaannccee pprriinncciippllee 222233
55..22 TThhee eelleeccttrrooggeeoommeettrriicc mmeetthhoodd 222266
55..33 TThhee pprroobbaabbiilliittyy aapppprrooaacchh ttoo ffiinnddiinngg tthhee ssttrrookkee ppooiinntt 222288
55..44 LLaabboorraattoorryy ssttuuddyy ooff lliigghhttnniinngg aattttrraaccttiioonn 223322
Copyright © 2000 IOP Publishing Ltd.
vVi.li.liIl CCoonnt teennttss
55..55 EExxttrraappoollaattiioonn ttoo lliigghhttnniinngg 223366
55..66 OOnn tthhee aattttrraaccttiioonn mmeecchhaanniissmm ooff eexxtteerrnnaall ffiieelldd 223399
55..77 HHooww lliigghhttnniinngg cchhoooosseess tthhee ppooiinntt ooff ssttrrookkee 22441 1
55..88 WWhhyy aarree sseevveerraall lliigghhttnniinngg rrooddss mmoorree eeffffeeccttiivvee tthhaann oonnee?? 224471
55..99 SSoommee tteecchhnniiccaall ppaarraammeetteerrss ooff lliigghhttnniinngg pprrootteeccttiioonn 224499
55..99..11 TThhee pprrootteeccttiioonn zzoonnee 224499
55..99..22 TThhee pprrootteeccttiioonn aannggllee ooff aa ggrroouunnddeedd wwiirree 22551 1
55..1100 PPrrootteeccttiioonn eeffffiicciieennccyy vveerrssuuss tthhee oobbjjeecctt ffuunnccttiioonn 225522
55..1111 LLiigghhttnniinngg aattttrraaccttiioonn bbyy aaiirrccrraafftt 225555
55..1122 AArree aattttrraaccttiioonn pprroocceesssseess ccoonnttrroollllaabbllee?? 225599
55..1133 IIff tthhee lliigghhttnniinngg mmiisssseess tthhee oobbjjeecctt 226633
RReeffeerreenncceess 226644
66 DDaannggeerroouuss lliigghhttnniinngg eeffffeeccttss oonn mmooddeerrnn ssttrruuccttuurreess 226655
66..11 IInndduucceedd oovveerrvvoollttaaggee 226677
66..11..11 '‘EElleeccttrroossttaattiicc’' eeffffeeccttss ooff cclloouudd aanndd lliigghhttnniinngg cchhaarrggeess 226677
66..11..22 OOvveerrvvoollttaaggee dduuee ttoo lliigghhttnniinngg mmaaggnneettiicc ffiieelldd 227700
66..22 LLiigghhttnniinngg ssttrrookkee aatt aa ssccrreeeenneedd oobbjjeecctt 227722
66..22..11 AA ssttrrookkee aatt tthhee mmeettaalllliicc sshheellll ooff aa bbooddyy 227722
66..22..22 HHooww lliigghhttnniinngg ffiinnddss iittss wwaayy ttoo aann uunnddeerrggrroouunndd ccaabbllee 227744
66..22..33 OOvveerrvvoollttaaggee oonn uunnddeerrggrroouunndd ccaabbllee iinnssuullaattiioonn 227777
66..22..44 TThhee aaccttiioonn ooff tthhee sskkiinn--eeffffeecctt 228833
66..22..55 TThhee eeffffeecctt ooff ccrroossss sseeccttiioonn ggeeoommeettrryy 228855
66..22..66 OOvveerrvvoollttaaggee iinn aa ddoouubbllee wwiirree cciirrccuuiitt 229900
66..22..77 LLaabboorraattoorryy tteessttss ooff oobbjjeeccttss wwiitthh mmeettaalllliicc sshheeaatthhss 22991 1
66..22..88 OOvveerrvvoollttaaggee iinn aa ssccrreeeenneedd mmuullttiillaayyeerr ccaabbllee 229944
66..33 MMeettaalllliicc ppiippeess aass aa hhiigghh ppootteennttiiaall ppaatthhwwaayy 229966
66..44 DDiirreecctt ssttrrookkee oovveerrvvoollttaaggee 330000
66..44..11 TThhee bbeehhaavviioouurr ooff aa ggrroouunnddiinngg eelleeccttrrooddee aatt hhiigghh
ccuurrrreenntt iimmppuullsseess 330000
66..44..22 IInndduuccttiioonn eemmff iinn aann aaffffeecctteedd oobbjjeecctt 330055
66..44..33 VVoollttaaggee bbeettwweeeenn tthhee aaffffeecctteedd aanndd nneeiigghhbboouurriinngg
oobbjjeeccttss 330077
66..44..44 LLiinneess wwiitthh oovveerrhheeaadd ggrroouunndd--wwiirreess 331 144
66..55 CCoonncclluuddiinngg rreemmaarrkkss 331188
RReeffeerreenncceess 332200
Copyright © 2000 IOP Publishing Ltd.
PPrreeffaaccee
TTooddaayy,, wwee kknnooww ssuuffffiicciieennttllyy mmuucchh aabboouutt lliigghhttnniinngg ttoo ffeeeell ffrreeee ffrroomm tthhee mmyyssttiicc
ffeeaarrss ooff pprriimmiittiivvee ppeeooppllee.. WWee hhaavvee lleeaarrnneedd ttoo ccrreeaattee pprrootteeccttiioonn tteecchhnnoollooggiieess
aanndd ttoo mmaakkee ppoowweerr ttrraannssmmiissssiioonn lliinneess,, sskkyyssccrraappeerrss,, sshhiippss,, aaiirrccrraafftt,, aanndd ssppaaccee -
ccrraafftt lleessss vvuullnneerraabbllee ttoo lliigghhttnniinngg.. YYeess,, tthhee ddaannggeerr iiss ggeettttiinngg lleessss bbuutt iitt ssttiillll
eexxiissttss!! WWiitthh eevveerryy sstteepp ooff tthhee tteecchhnniiccaall pprrooggrreessss,, lliigghhttnniinngg aarrmmss iittsseellff wwiitthh
aa nneeww wweeaappoonn ttoo ccoonnttiinnuuee tthhee wwaarr bbyy iittss oowwnn rruulleess aaggaaiinnsstt tthhee sseellff--ccoonnffiiddeenntt
eennggiinneeeerr.. AAss wwee iimmpprroovvee oouurr mmaacchhiinneess aanndd ssttuuffff tthheemm wwiitthh eelleeccttrroonniiccss iinn aann
aatttteemmpptt ttoo rreeppllaaccee hhuummaann bbeeiinnggss,, lliigghhttnniinngg aaccttss iinn aann eevveerr rreeffiinneedd mmaannnneerr.. IItt
ttaakkeess uuss bbyy ssuurrpprriissee wwhheerree wwee ddoo nnoott eexxppeecctt iitt,, mmaakkiinngg uuss ffeeeell hheellpplleessss aaggaaiinn
ffoorr ssoommee ttiimmee..
WWee ddoo nnoott iinntteenndd ttoo pprreesseenntt iinn tthhiiss bbooookk aa sseett ooff uunniivveerrssaall lliigghhttnniinngg
pprrootteeccttiioonn rruulleess.. SSuucchh aa ttaasskk wwoouulldd bbee aass ffuuttiillee aass aaddvveerrttiissiinngg aa uunniivveerrssaall aannttii -
bbiioottiicc lleetthhaall ttoo eevveerryy hhaarrmmffuull mmiiccrroobbee.. TThhee wwoorrlldd iiss cchhaannggeeaabbllee,, aanndd ttooddaayy’'ss
ppaannaacceeaa oofftteenn bbeeccoommeess aa uusseelleessss ppiillll eevveenn bbeeffoorree tthhee aaddvveerrttiissiinngg sshheeeett ffaaddeess..
TTeecchhnniiccaall pprrooggrreessss hhaass ssoo ffaarr ffaaiilleedd ttoo ttaakkee lliigghhttnniinngg uunnaawwaarreess.. IImmpprroovveemmeenntt
aanndd mmiinniiaattuurriizzaattiioonn ooff ddeevviicceess iinnccrreeaassee oouurr ccoonncceerrnn aabboouutt tthhee rreeffiinneedd
ddeessttrruuccttiivvee bbeehhaavviioouurr ooff lliigghhttnniinngg,, bbuutt nnoo pprroopphheett iiss aabbllee ttoo ffoorreesseeee aallll ooff
iittss ddeessttrruuccttiivvee eeffffeeccttss..
WWee ddoo nnoott ppllaann ttoo ddiissccuussss iinn ddeettaaiill aallll aavvaaiillaabbllee iinnffoorrmmaattiioonn oonn lliigghhtt -
nniinngg.. TThheerree aarree aallrreeaaddyy ssoommee eexxcceelllleenntt bbooookkss pprroovviiddiinngg aallll ssoorrtt ooff rreeffeerreennccee
ddaattaa,, aammoonngg tthheemm tthhee ttwwoo vvoolluummeess ooff LLiigghhttnniinngg eeddiitteedd bbyy RR HH GGoollddee aanndd
LLiigghhttnniinngg DDiisscchhaarrggee bbyy MM UUmmaann.. OOuurr aaiimm iiss ddiiffffeerreenntt.. WWee tthhiinnkk iitt iimmppoorrttaanntt
ttoo ggiivvee tthhee rreeaaddeerr ssoommee cclleeaarr,, uupp--ttoo--ddaattee pphhyyssiiccaall ccoonncceeppttss ooff lliigghhttnniinngg
ddeevveellooppmmeenntt,, wwhhiicchh ccaannnnoott bbee ffoouunndd iinn tthhee bbooookkss rreeffeerrrreedd ttoo.. TThheessee wwiillll
sseerrvvee aass aa bbaassiiss ffoorr tthhee rreesseeaarrcchheerr aanndd eennggiinneeeerr ttoo jjuuddggee tthhee pprrooppeerrttiieess ooff
tthhiiss ttrreemmeennddoouuss ggaass ddiisscchhaarrggee pphheennoommeennoonn.. TThheenn wwee sshhaallll ddiissccuussss tthhee
nnaattuurree ooff vvaarriioouuss hhaazzaarrddoouuss mmaanniiffeessttaattiioonnss ooff lliigghhttnniinngg,, ffooccuussiinngg oonn tthhee
pphhyyssiiccaall mmeecchhaanniissmmss ooff iinntteerraaccttiioonn bbeettwweeeenn lliigghhttnniinngg aanndd aann aaffffeecctteedd
ccoonnssttrruuccttiioonn.. TThhee rreessuullttss ooff tthhiiss ccoonnssiiddeerraattiioonn wwiillll ffuurrtthheerr bbee uusseedd ttoo eessttiimmaattee
IiXx
Copyright © 2000 IOP Publishing Ltd.
xX PPrreeffaaccee
tthhee eeffffeeccttiivveenneessss ooff ccoonnvveennttiioonnaall pprrootteeccttiivvee mmeeaassuurreess aanndd ttoo pprreeddiicctt tteecchhnniiccaall
mmeeaannss ffoorr tthheeiirr iimmpprroovveemmeenntt.. WWee ggiivvee,, wwhheerreevveerr ppoossssiibbllee,, tteecchhnniiccaall aaddvviiccee
aanndd rreeccoommmmeennddaattiioonnss.. OOuurr mmaaiinn ggooaall,, hhoowweevveerr,, iiss ttoo hheellpp tthhee rreeaaddeerr ttoo
mmaakkee hhiiss oowwnn pprreeddiiccttiioonnss bbyy pprroovviiddiinngg iinnffoorrmmaattiioonn oonn tthhee wwhhoollee aarrsseennaall
ooff ppootteennttiioonnaallllyy hhaazzaarrddoouuss eeffffeeccttss ooff lliigghhttnniinngg oonn aa ppaarrttiiccuullaarr ccoonnssttrruuccttiioonn..
WWee hhaavvee oofftteenn wwiittnneesssseedd ssiittuuaattiioonnss wwhheenn aann eennggiinneeeerr wwaass ttrryyiinngg hhaarrdd ttoo
'‘iimmppoossee'’ tthhiiss oorr tthhaatt pprrootteeccttiivvee ddeevviiccee oonn aann ooppeerraattiinngg eexxppeerriimmeennttaall ssttrruuccttuurree
wwhhiicchh rreessiisstteedd hhiiss uunnnnaattuurraall eeffffoorrttss.. IIddeeaallllyy,, tthhee ddeessiiggnneerr mmuusstt bbee aabbllee ttoo
ffoorreesseeee aallll ddeettaaiillss ooff tthhee rreellaattiioonnsshhiipp bbeettwweeeenn lliigghhttnniinngg aanndd tthhee ccoonnssttrruuccttiioonn
bbeeiinngg ddeessiiggnneedd.. IItt iiss oonnllyy iinn tthhiiss ccaassee tthhaatt lliigghhttnniinngg pprrootteeccttiioonn ccaann bbeeccoommee
ffuunnccttiioonnaallllyy eeffffeeccttiivvee aanndd tthhee pprrootteeccttiivvee ddeevviiccee ccaann bbee mmaaddee ccoommppaattiibbllee
wwiitthh tthhee ccoonnssttrruuccttiioonn eelleemmeennttss..
IIff aann eennggiinneeeerr iiss ddeetteerrmmiinneedd ttoo ffoollllooww tthhiiss aapppprrooaacchh,, bbootthh eexxppeeddiieenntt aanndd
wweellll--ggrroouunnddeedd,, hhee wwiillll ffiinndd tthhiiss bbooookk uusseeffuull.. IItt iiss aa nnaattuurraall eexxtteennssiioonn ooff oouurr
pprreevviioouuss bbooookk SSppaarrkk DDiisscchhaarrggee,, ppuubblliisshheedd bbyy CCRRCC PPrreessss iinn 11999977,, wwhhiicchh ddeeaalltt
wwiitthh ssttrreeaammeerr--lleeaaddeer r bbrreeaakkddoowwnn ooff lloonngg ggaass ggaappss.. TThhee ssttrreeaammeerr--lleeaaddeer r
pprroocceessss iiss ppaarrtt ooff aannyy lliigghhttnniinngg ddiisscchhaarrggee wwhheenn aa ppllaassmmaa ssppaarrkk cclloosseess aa
ggiiggaannttiicc aaiirr ggaapp.. AAlltthhoouugghh tthhee ddeessttrruuccttiivvee eeffffeecctt ooff lliigghhttnniinngg iiss pprriimmaarriillyy
dduuee ttoo tthhee rreettuurrnn ssttrrookkee wwhhiicchh ffoolllloowwss tthhee lleeaaddeerr,, iitt iiss tthhee lleeaaddeerr tthhaatt
mmaakkeess tthhee ddiisscchhaarrggee cchhaannnneell ssuusscceeppttiibbllee ttoo iitt.. TThhiiss iiss wwhhyy wwee ggiivvee aann oovveerrvviieeww
ooff tthhee ssttrreeaammeerr--lleeaaddeer r pprroocceessss,, ffooccuussiinngg oonn eexxttrreemmaa1l eessttiimmaattiioonnss aanndd
pprreesseennttiinngg ssoommee nneeww iiddeeaass.. WWee hhooppee tthhaatt tthhee sseeccoonndd cchhaapptteerr wwiillll pprroovvee iinnffoorr -
mmaattiivvee eevveenn ffoorr tthhoossee ffaammiilliiaarr wwiitthh oouurr bbooookk ooff 11999977..
SSoommee rreessuullttss ooff tthhee lliigghhttnniinngg iinnvveessttiiggaattiioonn rruunn iinn tthhee KKrrzzhhiizzhhaannoovvsskkyy
PPoowweerr IInnssttiittuuttee aarree uusseedd iinn tthhee bbooookk.. TThhee aauutthhoorrss wwoouulldd lliikkee ttoo tthhaannkk
DDrr BB NN GGoorriinn aanndd DDrr AA VV SShhkkiilleevv wwhhoo kkiinnddllyy aalllloowweedd uuss ttoo uussee tthhee oorriiggiinnaallss
ooff lliigghhttnniinngg pphhoottooggrraapphhss.. WWee aarree aallssoo ggrraatteeffuull ttoo LL NN SSmmiirrnnoovvaa ffoorr
ttrraannssllaattiioonn ooff tthhiiss bbooookk..
Copyright © 2000 IOP Publishing Ltd.
CChhaapptteerr 11
IInnttrroodduuccttiioonn:: lliigghhttnniinngg,, iittss
ddeessttrruuccttiivvee eeffffeeccttss aanndd pprrootteeccttiioonn
IIff yyoouu wwaanntt ttoo oobbsseerrvvee lliigghhttnniinngg,, tthhee bbeesstt tthhiinngg ttoo ddoo iiss ttoo vviissiitt aa ssppeecciiaall lliigghhtt -
nniinngg llaabboorraattoorryy.. SSuucchh llaabboorraattoorriieess eexxiisstt iinn aallll ppaarrttss ooff tthhee gglloobbee eexxcceepptt tthhee
AAnnttaarrccttiicc.. BBuutt yyoouu ccaann ssaavvee oonn tthhee ttrraavveell iiff yyoouu jjuusstt cclliimmbb oonnttoo tthhee rrooooff ooff
yyoouurr oowwnn hhoouussee ttoo ggiivvee aa ggoooodd ffiieelldd ooff vviissiioonn.. BBeetttteerr,, ffeettcchh yyoouurr ccaammeerraa..
EEvveenn aann oorrddiinnaarryy ppiiccttuurree ccaann sshhooww ddeettaaiillss tthhee uunnaaiiddeedd hhuummaann eeyyee oofftteenn
mmiisssseess.. YYoouu mmiigghhtt aass wweellll ssiitt bbaacckk iinn yyoouurr ffaavvoouurriittee aarrmmcchhaaiirr,, hhaavviinngg
ppuulllleedd iitt uupp ttoo aa wwiinnddooww,, pprreeffeerraabbllyy oonnee oovveerrllooookkiinngg aann ooppeenn ssppaaccee.. TThhee
ccaammeerraa ccaann bbee ffiixxeedd oonn tthhee wwiinnddooww ssiillll., TThheerree iiss nnootthhiinngg eellssee ttoo ddoo bbuutt
wwaaiitt ffoorr aa ssttoorrmmyy nniigghhtt..
TThheerree iiss eennoouugghh ttiimmee ffoorr tthhee pprreeppaarraattiioonnss ttoo bbee mmaaddee bbeeccaauussee tthhee ssttoorrmm
wwiillll bbee aapppprrooaacchhiinngg sslloowwllyy.. AAtt ffiirrsstt,, tthhee aaiirr wwiillll ggrrooww ssttiillll,, aanndd iitt wwiillll ggeett
mmuucchh ddaarrkkeerr tthhaann iitt nnoorrmmaallllyy iiss oonn aa ssuummmmeerr nniigghhtt.. TThhee cclloouudd iiss nnoott yyeett vviissiibbllee,,
bbuutt iittss aapppprrooaacchh ccaann bbee aannttiicciippaatteedd ffrroomm tthhee ssoouunnddlleessss ffllaasshheess aatt tthhee hhoorriizzoonn..
TThheeyy ggrraadduuaallllyy ppuullll cclloosseerr,, aanndd tthhee bbrriigghhtteesstt ooff tthheemm ccaann aallrreeaaddyy bbee hheeaarrdd aass
ddeellaayyeedd aanndd yyeett aammiiaabbllee rrooaarriinngg.. TThhiss mmaayy ggoo oonn ffoorr aa lloonngg ttiimmee.. IItt mmaayy
sseeeemm tthhaatt tthhee cclloouudd hhaass ssttooppppeedd ssttiillll oorr ttuurrnneedd aawwaayy,, bbuutt ssuuddddeennllyy tthhee sskkyy iiss
rriippppeedd ooppeenn bbyy aa ffiirree bbllaaddee.. TThhiiss iiss aaccccoommppaanniieedd bbyy aa ddeeaaffeenniinngg ccrraasshh,, qquuiittee
ddiiffffeerreenntt ffrroomm aa ccaannnnoonn sshhoott bbeeccaauussee iitt ttaakkeess aa mmuucchh lloonnggeerr ttiimmee.. TThhee ffiirrsstt
lliigghhttnniinngg ddiisscchhaarrggee iiss ffoolllloowweedd bbyy mmaannyy ootthheerrss ffaalllliinngg oouutt ooff tthhee rriippppeedd
cclloouudd.. SSoommee ssttrriikkee tthhee ggrroouunndd wwhhiillee ootthheerrss kkeeeepp oonn ccrroossssiinngg tthhee sskkyy,, ccoommppeettiinngg
wwiitthh tthhee ffiirrsstt ddiisscchhaarrggee iinn bbeeaauuttyy aanndd ssppaarrkk lleennggtthh.. TThhiiss iiss tthhee rriigghhtt ttiimmee ttoo ssttaarrtt
oobbsseerrvvaattiioonnss:: rreemmoovvee tthhee ccaammeerraa sshhuutttteerr aanndd ttrryy ttoo ttaakkee aa ffeeww ppiiccttuurreess..
11..11 TTyyppeess ooff lliigghhttnniinngg ddiisscchhaarrggee
TThhee aabboovvee rreeccoommmmeennddaattiioonn ttoo rreemmoovvee tthhee ccaammeerraa sshhuutttteerr sshhoouulldd bbee ttaakkeenn
lliitteerraallllyy.. MMuucchh iinnffoorrmmaattiioonn oonn lliigghhttnniinngg hhaass bbeeeenn oobbttaaiinneedd ffrroomm pphhoottooggrraapphhss
ttaakkeenn wwiitthh aa pprreelliimmiinnaarriillyy ooppeenneedd oobbjjeeccttiivvee lleennss.. IItt iiss iimmppoorrttaanntt,, hhoowweevveerr,, tthhaatt
1
Copyright © 2000 IOP Publishing Ltd.
22 IInnttrroodduuccttiioonn:: lliigghhttnniinngg,. iittss ddeessttrruuccttiivvee eeffffeeccttss aanndd pprrootteeccttiioonn
FFiigguurree 11..11.. AA ssttaattiicc pphhoottooggrraapphh ooff aa lliigghhttnniinngg ssttrrookkee aatt tthhee OOssttaannkkiinnoo TTeelleevviissiioonn
TToowweerr iinn MMoossccooww..
nnoo ootthheerr bbrriigghhtt lliigghhtt ssoouurrccee sshhoouulldd bbee pprreesseenntt wwiitthhiinn tthhee vviissiioonn ffiieelldd ooff tthhee
ccaammeerraa lleennss.. TThhee ffiillmm ccaann tthheenn bbee eexxppoosseedd ffoorr mmaannyy mmiinnuutteess uunnttiill aa ssppaarrkk
ffiinnddss iittss wwaayy iinnttoo tthhee ffrraammee.. AAfftteerr tthhiiss,, tthhee lleennss sshhoouulldd bbee cclloosseedd wwiitthh tthhee sshhuutt -
tteerr aanndd tthhee ccaammeerraa sshhoouulldd bbee sseett rreeaaddyy ffoorr aannootthheerr sshhoott.. EExxppeerriieennccee hhaass sshhoowwnn
tthhaatt aatt lleeaasstt oonnee tthhiirrdd ooff ppiiccttuurreess ttaakkeenn dduurriinngg aa ggoooodd nniigghhtt tthhuunnddeerrssttoorrmm
pprroovvee ssuucccceessssffuull..
AAllll lliigghhttnniinngg ddiisscchhaarrggeess ccaann bbee ccllaassssiiffiieedd,, eevveenn wwiitthhoouutt pphhoottooggrraapphhyy,,
iinnttoo ttwwoo ggrroouuppss -- iinntteerrcclloouudd ddiisscchhaarrggeess aanndd ggrroouunndd ssttrriikkeess.. TThhee ffrreeqquueennccyy
ooff tthhee ffoorrmmeerr iiss ttwwoo oorr tthhrreeee ttiimmeess hhiigghheerr tthhaann tthhaatt ooff tthhee llaatttteerr.. AAnn iinntteerr -
cclloouudd ssppaarrkk iiss nneevveerr aa ssttrraaiigghhtt lliinnee,, bbuutt rraatthheerr hhaass nnuummeerroouuss bbeennddss aanndd
bbrraanncchhiinnggss.. NNoorrmmaallllyy,, tthhee ssppaarrkk cchhaannnneell iiss aass lloonngg aass sseevveerraall kkiilloommeettrreess,,
ssoommeettiimmeess ddoozzeennss ooff kkiilloommeettrreess..
TThhee lleennggtthh ooff aa lliigghhttnniinngg ssppaarrkk tthhaatt ssttrriikkeess tthhee ggrroouunndd ccaann bbee ddeeffiinneedd
mmoorree eexxaaccttllyy.. TThhee aavveerraaggee cclloouudd aallttiittuuddee iinn EEuurrooppee iiss cclloossee ttoo tthhrreeee kkiilloo -
mmeettrreess.. SSppaarrkk cchhaannnneellss hhaavvee aabboouutt tthhee ssaammee aavveerraaggee lleennggtthh.. OOff ccoouurrssee,,
tthhiiss ppaarraammeetteerr iiss ssttaattiissttiiccaallllyy vvaarriiaabbllee,, bbeeccaauussee aa ddiisscchhaarrggee ffrroomm aa cchhaarrggeedd
cclloouudd cceennttrree mmaayy ssttaarrtt aatt aannyy aallttiittuuddee uupp ttoo 1100 kkmm aanndd bbeeccaauussee ooff aa llaarrggee
nnuummbbeerr ooff ssppaarrkk bbeennddss.. TThhee llaatttteerr aarree oobbsseerrvvaabbllee eevveenn wwiitthh tthhee uunnaaiiddeedd
eeyyee.. IInn aa pphhoottooggrraapphh,, tthheeyy mmaayy llooookk ssttrriikkiinnggllyy ffaanncciiffuull ((ffiigguurree 11..11)).. AA pphhoottoo -
ggrraapphh ccaann sshhooww aannootthheerr iimmppoorrttaanntt ffeeaattuurree iinnaacccceessssiibbllee ttoo tthhee nnaakkeedd eeyyee -- tthhee
mmaaiinn bbrriigghhtt ssppaarrkk rreeaacchhiinngg tthhee ggrroouunndd hhaass nnuummeerroouuss bbrraanncchheess wwhhiicchh hhaavvee
ssttooppppeedd tthheeiirr ddeevveellooppmmeenntt aatt vvaarriioouuss aallttiittuuddeess.. AA ssiinnggllee bbrraanncchh mmaayy hhaavvee
aa lleennggtthh ccoommppaarraabbllee wwiitthh tthhaatt ooff tthhee pprriinncciippaall ssppaarrkk cchhaannnneell ((ffiigguurree 11..22))..
BBrraanncchheess ccaann bbee ccoonnvveenniieennttllyy uusseedd ttoo ddeeffiinnee tthhee ddiirreeccttiioonn ooff lliigghhttnniinngg
pprrooppaaggaattiioonn.. LLiikkee aa ttrreeee,, aa lliigghhttnniinngg ssppaarrkk bbrraanncchheess iinn tthhee ddiirreeccttiioonn ooff
Copyright © 2000 IOP Publishing Ltd.