Многие слышали, что перед грозой лучше обесточивать электроприборы. Если вам довелось вынимать из системника материнку со сгоревшим сетевым портом, то этот запах запомнится навсегда.
Но в чём именно заключается причина выгорания, если гроза так и не началась, дождя не было, молнию никто не видел? Почему выгорают сетевые карты в выключенных компьютерах?
TL;DR: проблема заключается в заряде статического электричества, который накапливается перед грозой, во время грозового положения. А молния действует как «дистанционный» спусковой крючок. То есть даже далёкая молния на расстоянии в несколько километров может повредить компьютерное оборудование.
Для начала вспомним, что такое гроза по своей физической сути.
▍ Электрический шторм и вертикальные облака
Гроза (электрический шторм, electrical storm) — атмосферное явление, при котором возникают мощные электрические разряды (молнии), сопровождаемые громом. Обычно такие разряды возникают между дождевыми облаками и землёй. Бывают между облаками, внутри облака, а иногда по какой-то причине они разряжаются в ионосферу, то есть вверх:
Для нашей задачи направление разряда не принципиально, потому что земные компьютеры выгорают в любом случае.
Древних людей традиционно интересовали визуальные и акустические феномены — гром, молния, град, ливневый дождь и прочие впечатляющие проявления гнева богов стихии.
С точки зрения электроники всё это не так интересно. А самое важное скрыто от глаз и происходит до начала аудиовизуальной «дискотеки».
Перед грозой в атмосфере складывается грозовое положение — синоптическая ситуация, характеризуемая наличием мощной облачности. Причём нужны облака специального типа — грозовые облака (они же кучево-дождевые).
Это облака с ярко выраженной вертикальной структурой, которые в конце своего формирования по форме похожи на наковальню. Они создаются из водяного пара, который конденсируется в нижней тропосфере и быстро поднимается под действием мощных вертикальных воздушных потоков со скоростью до 25 м/с. Вверху потоки упираются в холодный горизонтальный слой — и растекаются вдоль него (иногда могут и пробиться сквозь, тогда над «наковальней» появляется «шапочка»).
Единичная грозовая ячейка
Такое облако накапливает всё больше и больше дождевых капель (и ледяных кристаллов), которые удерживаются восходящим потоком — а потом резко и неожиданно выпадают, порождая панику у застигнутого врасплох населения.
Единичная грозовая ячейка живёт около 30 минут, но крупные грозы могут включать сотни ячеек на площади в десятки километров — и продолжаться часами.
Здесь мы подходим к самому интересному. Дело в том, что грозовое положение «электризует» атмосферу, поскольку в грозовых облаках накапливается статический заряд, который создаёт вокруг себя силовое электрическое поле.
▍ Статическое электричество
Как известно из школьного курса физики, если в пространстве имеется система заряжённых тел, то в каждой точке этого пространства существует силовое электрическое поле, имеющее две характеристики: напряжённость и потенциал.
Электростатическое поле
Статическое электричество — это по сути дисбаланс электрических зарядов между материалами. Заряд сохраняется до тех пор, пока он не сможет уйти с помощью электрического тока или электрического разряда. Все видели искру, когда накопленный избыточный заряд (например, с шерстяной ткани) нейтрализуется при приближении к электрическому проводнику (например, тело человека выступает в роли заземления).
Так же и молния «уносит» статический заряд, скопившийся в грозовой ячейке, «сливая» его в Землю или ещё куда-нибудь, например, в соседнее облако.
Недавние исследования НАСА показали, что во время мощной грозы даже формируется гамма-излучение и антивещество (позитроны). Это приводит к вспышкам гамма-изучения (TGF, они же тёмные молнии). На Земле происходит около 500 TGF в сутки.
На видео внизу показана симуляция потока электронов (жёлтый) и гамма-излучения (розовый) на протяжении 1,98 мс после гамма-вспышки на высоте 15 км:
Схема создания антиматерии во время грозы (симуляция НАСА):
▍ Выгорание электроники
Исходя из общего понимания физических процессов, можно примерно описать, что происходит c электроникой перед грозой.
Когда над нами образуется грозовое облако, то напряжённость электрического поля в вертикальном направлении достигает десятков кВ/м. Грозовое облако растёт, приближается — и напряжённость тоже постепенно нарастает. Логично предположить, что наиболее активное движение электронов перед грозой происходит в вертикальных проводниках, в том числе металлических предметах и проводах. И не только в вертикальных, потому что облако не обязательно висит строго над нами. Если концы этих предметов изолированы, то постепенно возникает серьёзная разность потенциалов.
Однако затем происходит ключевое событие: в результате далёкого разряда молнии (например, между облаками) внешнее электрическое поле рывком исчезает. Тогда равновесие зарядов резко восстанавливается, а по проводам протекает уравнительный ток, величина которого может достигать нескольких десятков ампер.
Таким образом, далёкий разряд молнии генерирует мощный ток в наших проводниках. Особенно уязвимы длинные кабели и медные проводники, к которым подключены сетевые карты и модемы. Если у вас встроенная сетевая карта на материнской плате, то может повредиться и она тоже.
Есть ещё отдельный момент с витой парой. Например, в момент приближения грозы с отключённого провода-антенны достаточной длины слетают большие искры. По идее, аналогичное накопление зарядов может происходить на концах проводов витой пары в грозовом положении. Один из сетевых инженеров столкнулся с такой ситуацией:
«Если провода пары идентичны и одинаково хорошо контактируют с сетевой картой, то она не страдает, так как в месте подключения к карте потенциалы выравниваются одновременно. Но если один из проводов в одной и той же скрутке имеет отличный от другого импеданс (например, был повреждён при прокладке), то потенциалы выравниваются не одновременно, и между проводами пары, подключёнными к карте, возникает значительное поперечное напряжение, которое может вывести карту из строя. Любопытно, что экранирование тут не спасает, так как экран не защищает от статического электрического поля. Просто нужно быть аккуратным при монтаже и не пользоваться дармовыми „бэушными“ кусками кабеля, как мы с приятелем».
То есть сбой электротехники случается одновременно с разрядом молнии. Но этот разряд удалён от наблюдателя или даже незаметен для него. Он может быть между облаками на большой высоте. И может случиться задолго до начала «настоящей», видимой глазу грозы с ливнем. Поэтому и создаётся впечатление, что электроника сгорает как будто «перед грозой».
▍ Как компьютер реагирует на статическое электричество
Известно, что электроника может реагировать на изменение электрического поля. Это проявляется в непроизвольном включении/выключении приборов, когда человек:
- приближается к прибору;
- встаёт из-за компьютера;
- входит в комнату;
- и т. д.
Например, колонки могут издавать странный звук, когда человек встаёт с кресла. Один пользователь жаловался, что если он снимает одежду, компьютер выходит из спящего режима.
В одной комнате монитор может выключиться в момент, когда в соседней комнате человек встаёт с кровати (наводки на видеокабель).
Кроме ЭМИ, на работоспособность техники влияют и другие физические процессы в окружающем мире. Например, жёсткие диски медленнее работают из-за громкого человеческого крика или вообще выходят из строя от конкретной песни. Или был случай «аллергии» автомобиля Pontiac на конкретный вид мороженого, которое покупал водитель — он отказывался заводиться при покупке конкретно ванильного мороженого. Или когда почтовые письма не доставлялись на серверы дальше 800 км от отправителя (3 световые миллисекунды).
На смартфоне случайные нажатия кнопок и запуск произвольных приложений — это вообще в порядке вещей, ведь ёмкостный тачскрин по своей сути является хранителем статического заряда и реагирует на изменение электростатического поля, а не на прикосновение. То есть он может среагировать до реального прикосновения.
Для человека, не знающего физической сути процессов, случайный запуск программ на смартфоне может показаться удивительным и даже сверхъестественным явлением, хотя это просто физика.
Впрочем, в жизни всё равно встречаются ситуации, которые сложно объяснить законами науки. Например, недавно у знакомого сисадмина одно-единственное приложение перестало запускаться после переноса компьютера в другую квартиру. Когда вернули компьютер на место, всё опять заработало. Понятно, что этому можно найти рациональное объяснение, но в голову всё равно лезут странные вещи…
