Грозоотметчик

В 1887 году Генрих Герц опубликовал статью — «Об очень быстрых электрических колебаниях»[2], где впервые в мире описал опыты с передатчиком и приёмником электромагнитных колебаний. Приёмник представлял собой проволочную петлю с небольшим зазором между концами, где мог возникать искровой разряд при электромагнитном воздействии.

В 1889 году Оливер Лодж, экспериментируя с приборами из опытной установки Герца, использует в качестве приёмника не петлю, а вибратор, как в передатчике. Для повышения чувствительности приёмника он так уменьшает искровой промежуток, что после электромагнитного воздействия электроды вибратора приёмника замыкаются (сцепляются). Для размыкания электродов требовалось лёгкое встряхивание. Подключив к электродам вибратора источник питания и электрический звонок, Лодж обеспечил звуковую индикацию принятой электромагнитной волны[3][4].

В 1890 году Э. Бранли изобрёл прибор для регистрации электромагнитных волн, включавший в себя эбонитовую трубку с электродами на концах, внутри которой находились металлические опилки («трубка Бранли»). Под воздействием удалённого электрического разряда многократно уменьшалось электрическое сопротивление трубки, включённой в цепь источника питания и гальванометра. Для возвращения «трубки Бранли» в первоначальное состояние и обнаружения нового воздействия требовалось встряхивание, нарушающее контакт между опилками. Бранли назвал свой прибор «радиокондуктор», что впервые ввело в научный оборот корень «радио» в современном его значении[5].

В 1890 году Оливер Лодж признал «трубку Бранли» наиболее подходящим индикатором «волн Герца» из имеющихся на то время. Он дал ей наименование «когерер» (лат. cohaerere — сцепляться) и ввёл в свою схему с приёмным вибратором Герца вместо искрового промежутка, получив более устойчивую и надёжную работу приёмника[3]. В 1894 году Лодж прочёл лекцию, посвящённую памяти скончавшегося незадолго до этого Г. Герца, где рассказал об использовании «трубки Бранли» в своём новом варианте приёмника электромагнитных колебаний с непрерывным встряхиванием «радиокондуктора». Для встряхивания использовалась «звездочка» на постоянно вращающейся оси[6]. В том же 1894 году на заседании Британской ассоциации содействия развитию науки в Оксфордском университете Лодж впервые публично демонстрирует опыты по передаче и приёму радиоволн. В ходе демонстрации радиосигнал был отправлен из лаборатории в соседнем Кларендоновском корпусе и принят аппаратом на расстоянии 40 м — в театре Музея естественной истории, где проходила лекция[7]. Показанный Лоджем «прибор для регистрации приёма электромагнитных волн» содержал когерер, источник тока, гальванометр и электрический звонок. Под действием электромагнитных колебаний сопротивление цепи, в которой стоял когерер, многократно уменьшалось, и ток от батареи приводил в действие звонок и отклонял стрелку гальванометра. В том же году все эти сведения были опубликованы. Статья вызвала интерес и обратила внимание многих учёных на возможность использования устройства для исследования волн, распространяющихся во время грозы[8].

Этой работой заинтересовался А. С. Попов, прочитав в марте 1895 года статью в журнале «Electrician». Вместе со своим ассистентом П. Н. Рыбкиным они усовершенствовали приёмник Лоджа[9]. Во-первых, в схему было добавлено электромагнитное реле, которое управляло цепью звонка и повышало чувствительность приёмника. Во-вторых, для встряхивания когерера использовался молоточек звонка, а не часовой механизм, как у Лоджа. Кроме того, в своих опытах А. С. Попов использовал заземлённую мачтовую антенну, изобретённую в 1893 году Н. Теслой[10].

7 мая (25 апреля по старому стилю) 1895 года, позже названным «Днём радио», в ходе лекции на заседании Русского физико-химического общества (РФХО) в Санкт-Петербургском университете А. С. Попов представил созданный прибор. Тема лекции была: «Об отношении металлических порошков к электрическим колебаниям» — её материал был опубликован в журнале РФХО в августе 1895 года. Полная схема и подробное описание прибора, который получил название «прибор для обнаружения и регистрирования электрических колебаний», были опубликованы в журнале РФХО в январе 1896 года (статья датировалась декабрём 1895 года)[11][12].

Прибор использовался А. С. Поповым в лекционных целях. В одной из модификаций во вторичную цепь реле параллельно звонку была подключена пишущая катушка братьев Ришар — получился научный прибор для регистрации электромагнитных колебаний в атмосфере. Сразу за этим, по инициативе основателя кафедры физики Петербургского Лесного института Д. А. Лачинова, грозоотметчик (первоначальное название у Лачинова — разрядоотметчик[9]) установили на институтской метеостанции, где он работал на постоянной основе до 1927 года, после чего был передан Центральному музею связи им. А. С. Попова[13]. Кроме того, известна судьба ещё нескольких подобных устройств. Так, с одним из них, в Томске проводил исследования профессор физики Ф. Я. Капустин. Его прибор сохранился и экспонируется в местном музее. Ещё два образца демонстрировались и были отмечены почетными дипломами на выставках: Нижегородской художественно-промышленной (в 1896 году, под наименованием «Прибор для записи электрических разрядов в атмосфере») и Парижской всемирной, посвященной смене столетий (1900). Во всех случаях производством грозоотметчиков по специальному заказу занималась Кронштадтская водолазная мастерская братьев Колбасьевых[14][15].

Таким образом завершился процесс создания первого грозоотметчика. Он стал, хотя и достаточно «грубым», но надёжным прибором, пригодным для длительной эксплуатации без необходимости в постоянном наблюдении и регулировках. По сути, это устройство явилось в полной мере действующим промышленным образцом, тогда как предшествовавшие ему приборы могли служить лишь для лекционных демонстраций. Надежность грозоотметчика Попова определилась также его применением: значительная мощность излучений грозовых разрядов делала ненужной высокую чувствительность[16].

Мобильный грозоотметчик. 2007 г.

В зависимости от типа принимаемого сигнала, сопутствующего молниям, грозоотметчики разделяют на акустические, оптические и электрические, реагирующие соответственно на гром, вспышки света и изменения, либо, напряженности электрического поля в атмосфере примерно от 100 В/м в обычном состоянии до 1 …40 кВ/м перед грозой, либо, электромагнитного поля. Наибольшее распространение получили последние, действие которых основано на восприятие радиоволн, то есть электромагнитного излучения, возникающего при разряде молний[1].

В зависимости от места размещения, грозоотметчики разделяют на стационарные наземного базирования, мобильные, часто использующие направленные антенны, и космические системы, расположенные на орбите Земли[1].

Обычно грозоотметчики используют сети метеорологических служб, подобных Росгидромету. В этом случае появляется возможность, методом триангуляции, определения координат мест ударов молний. Их своевременное обнаружение позволяет оперативно реагировать на возможные, связанные с молниями угрозы, такие как лесные и торфяные пожары, выход из строя электросетей и т. п.[17]