Электричество атмосферы

1. Грозовое электричествоинтересовало людей с давних пор. Первыми грозовое электричество изучали Михаил Ломоносов (1711-1765) и Бенджамин Франклин (1706-1790). Ломоносов связывал происхождение атмосферного электричества с восходящими и нисходящими потоками воздуха. Франклин доказал в 1753 г. электрическую природу молнии и тождественность земного и атмосферного электричества. Он же изобрёл в 1750 г молниеотвод.

В XX веке был выполнен огромный объём исследований по атмосферному электричеству. Реальная картина оказалась настолько сложной, что до сих пор теория атмосферного электричества в целом и грозового электричества в частности носит полукачественный характер.

2. Распределение зарядов в грозовом облаке. Пока в облаке не образуются и не выпадают частицы осадков, облако в основном нейтрально. Лишь при образовании в облаке достаточно крупных частиц осадков происходит разделение разноимённо заряженных частиц. В результате в облаке образуются значительные объёмные заряды.

С началом разделения частиц в грозовом облаке в его нижней части до высоты расположения изотермы 0° накапливаются отрицательные заряды (рис.174). Выше изотермы -12°С накапливаются положительные заряды. В промежуточном слое между изотермами 0°С и -12°С создаётся смесь положительных и отрицательных зарядов.

В верхней части облака в результате электризации ледяных образований мелкие ледяные осколки, получая положительный заряд, сосредотачиваются вверху. Более крупные отрицательно заряженные кристаллы опускаются вниз. Здесь при температуре выше 0°С они тают и образуют капли воды, которые в мощных турбулентных течениях разбрызгиваются.

В результате баллоэлектричес-кого эффекта образуются большие положительные объёмные заряды в верхней части грозовых облаков. Между такими объёмными зарядами как внутри облака, так и между облаком и Землёй возникают ьные электрические поля напряжённостью до 100 000 В/м. В таких полях и возникают электрические искровые разряды – молнии.

3. Молния. Различают 4 вида молний: линейная, плоская, чёточная, шаровая.

Линейная молния наблюдается наиболее часто. Её форма – зигзаг, древовидно-разветвлённая, ленточная. Средняя длина видимой части линейной молнии 2-3 км. Длина молнии между облаками может достигать 15-20 км. Средний диаметр канала молнии составляет около 15 см.

Молния, воспринимаемая глазом как одна вспышка, на самом деле представляет собой прерывистый разряд, состоящий из ряда отдельных разрядов – импульсов, число которых может доходить до 50. Продолжительность отдельного импульса 50-100 мкс, средний промежуток между ними 0,03 с. Полная длительность молнии в зависимости от числа отдельных импульсов может достигать 1,5 с. Чаще всего она составляет около 0,2 с.

Количество электричества, протекающее за время одной молнии, может достигать 50 Кл при среднем значении 20 Кл. Так как длительность молнии мала, то сила тока в молнии может достигать 10⁵ А. В умеренных широтах средний ток составляет около 10⁴ А. Примерно ¾ всех молний несут на землю отрицательные заряды, а ¼ - положительные.

Линейная молния сопровождается раскатистым звуком – громом. Он возникает потому, что при быстром нарастании тока молнии её канал практически мгновенно разогревается до 10 000-20 000°С. Взрывной рост давления в газе приводит к появлению звуковой волны. Среднее расстояние, на котором слышен гром, 15-20 км. Когда молния ударяет в землю недалеко от наблюдателя, гром имеет характер сильного и отрывистого удара. С увеличением расстояния за счёт отражений звука появляются раскаты.

Плоская молния представляет собой пространственно протяжённый разряд внутри облака. Сопровождается слабым размытым свечением. Звук практически отсутствует или очень слабый. В народе плоские молнии известны под названием зарницы. Чаще всего зарницы наблюдаются в конце лета.

Чёточная молния появляется после интенсивного искрового разряда и представляет собой цепочку из 10-30 шаров диаметром »10 см.

Расстояние между шарами обычно не превышает их диаметра. Продолжительность чёточной молнии около 0,5 с. Наблюдается очень редко и потому практически не изучена.

Шаровая молния наблюдается чаще чёточной, но все наблюдения над ней носят случайный и в основном качественный характер. Она имеет вид светящегося шара диаметром от нескольких сантиметров до нескольких метров, чаще всего 10-20 см, как бы плывущего в атмосфере или по поверхности предметов, на которые она оседает.

Сложность изучения шаровой молнии заключатся в том, что до последнего времени её не удаётся воссоздать в лабораторных условиях. Существует несколько десятков моделей шаровой молнии, но ни одна из них не может быть признана окончательной.

Ионы в атмосфере. В середине XVIII в. вскоре после изобретения конденсатора (П. Мушенбрук, 1745) было замечено, что заряженные тела постепенно теряют в воздухе свой заряд. Шарль Кулон в 1785 г. установил, что скорость убывания заряда пропорциональна величине заряда , Þ . (23.1)

Здесь а – коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом рассеивания, - начальный заряд.

Лишь в конце XIX в. это явление стекания заряда было объяснено тем, что атмосферный воздух содержит мельчайшие положительно и отрицательно заряженные частицы – ионы (от греч. ion - идущий). В настоящее время все атмосферные ионы делят на два класса: лёгкие и тяжёлые ионы.

Лёгкие ионы образуются из нейтральных молекул воздуха, которые ионизируются, то есть теряют электрон под действием космического излучения или радиоактивного излучения Земли. Молекула превращается при этом в положительно заряженный ион, а отделившийся электрон за время не более 10^-5 секунды присоединяется к другой молекуле, превращая её в отрицательно заряженный ион. В результате образуются положительный и отрицательный ионы с близкими массами.

Такие первично образовавшиеся молекулярные ионы в течение долей секунды присоединяют к себе за счёт действия поляризационных сил по 10-15 молекул воздуха. В итоге образуются устойчивые комплексы – лёгкие ионы. Их заряд ± е, а размер около 7×10^-10 м.

Тяжёлые ионы образуются из частиц аэрозоля, которые присоединили к себе обычно один лёгкий ион. Размер тяжёлых ионов около 6×10^-8 м.

Хотя концентрации лёгких и тяжёлых ионов как правило мало различаются между собой, электропроводность воздуха на 90-95% обусловлена лёгкими ионами благодаря их большой подвижности.

2. Ионосфера. С ростом высоты электропроводность атмосферного воздуха растёт. Начиная с высоты 30 км и более электроны, образующиеся в процессе ионизации, из-за низкой концентрации молекул воздуха могут длительное время существовать в свободном состоянии. Их концентрация n в дневные часы на высоте 60-70 км достигает 10³ эл/см³. С увеличением высоты h концентрация электронов растёт до максимума n_max = 10⁶ эл/см³ на высоте около 300 км (рис.175).

Далее концентрация свободных электронов медленно убывает и на высоте 2000 км приближается к n » 10³ эл/см³. Весь этот слой атмосферы от 60 до 2000 км и называют ионосферой.

По отношению к радиоволнам ионосфера благодаря наличию в ней свободных электронов ведёт себя как среда, показатель преломления которой меньше, чем у ниже расположенных слоёв слабо ионизированного воздуха. Поэтому радиоволны, падающие на ионосферу со стороны поверхности Земли, испытывают полное внутренне отражение.

Чем больше длина l радиоволн, тем меньше они поглощаются ионосферой при отражении, тем лучше обеспечивается с их помощью дальняя связь.

Волны короче 10 м сильно поглощаются ионосферой, их интенсивность при отражении падает, поэтому радиосвязь на коротких волнах на расстояниях, больших прямой видимости, становится неустойчивой.

3. Глобальное электрическое поле в атмосфере.

В результате грозовой деятельности в целом ионосфера заряжается положительно, а ниже расположенная поверхность Земли – отрицательно. Земля и ионосфера играют роль заряженных проводящих обкладок конденсатора. Глобальный поверхностный заряд Земли оценивается по современным данным величиной q = - 5,7×10⁵ Кл.

Средняя напряжённость Е глобального электрического поля у поверхности Земли при отсутствии облаков составляет около 130 В/м. С ростом высоты h напряжённость быстро уменьшается и при h ³ 10 км не превышает 5 В/м (рис.176).

Эквипотенциальные поверхности, построенные с постоянным шагом, показаны на рис.177. Наиболее тесно они расположены у самой поверхности Земли. Это объясняется тем, что электропроводность атмосферного воздуха у поверхности Земли минимальна. С ростом высоты электропроводность быстро увеличивается.

4. Объёмный заряд и вертикальный ток в атмосфере. Изменение напряжённости Е электрического поля атмосферы объясняется наличием в атмосфере объёмных электрических зарядов.

Найдём связь между плотностью r объёмного заряда и напряжённостью Е электрического поля. Для этого воспользуемся теоремой Гаусса (§4) и вычислим поток aN вектора E через поверхность цилиндрического объёма с площадью основания S и малой толщиной dh, ось которого расположена вертикально (рис.178).

Вектор E глобального электрического поля направлен вертикально сверху вниз. Его поток через боковую поверхность цилиндра равен нулю. Поток через нижнее основание положителен, так как вектор нормали n параллелен вектору E, n­­ E, N_низ = ЕS.

Поток через верхнее основание отрицателен, так как n ­¯ E. Полагая, что на высоте h + dh напряжённость поля равна E + dE, получаем: N_верх = - (E + dE)S. Отсюда

. (23.3)

Отсюда . (23.4)

Здесь gradE = dEçdh – градиент напряжённости электрического поля. Чем быстрее изменяется поле с высотой, тем больше его градиент, и тем больше в данном месте плотность r объёмного заряда.

На рис.179 показана зависимость r(h). Величина объёмного заряда r выражена числом элементарных зарядов е в 1 см³ воздуха. С высотой плотность объёмного заряда быстро убывает.

Вычисления показывают, что в столбе воздуха площадью 1 см² и высотой 9 км содержится объёмный заряд 7×10⁵ е. Это примерно соответствует поверхностной плотности заряда на земной поверхности.

Объёмный заряд воздуха – это нескомпенсированный заряд. Если бы положительные и отрицательные ионы и свободные электроны рекомбинировали в некотором объёме, то остались бы положительные ионы, которым для рекомбинации не нашлось бы пары. Эти избыточные ионы и образуют объёмный заряд воздуха.

Поскольку ионы и электроны воздуха находятся в электрическом поле атмосферы, то под действием электрической силы они дрейфуют. Положительные ионы – сверху вниз, отрицательные ионы и электроны – снизу вверх. Возникает вертикальный ток проводимости i в атмосфере. В отличие от напряжённости Е и плотности объёмного заряда r, которые убывают с высотой, ток проводимости с высотой практически не меняется (примерно в слое от 0 до 30 км). Его средняя плотность составляет около 2×10^-12 А/м². Ток на всю поверхность Земли около 1800 А.

Если бы не существовало механизмов разделения зарядов, то при таком токе поверхностный заряд Земли стекал бы за время t = qçi = 5,7×10⁵ç1,8×10³ » 5¸7 минут. Так как заряд Земли в среднем не меняется, то очевидно, что существуют природные механизмы, заряжающие атмосферный конденсатор. Это грозовые облака. Роль сторонних сил при этом играют восходящие потоки воздуха, разделяющие заряды.

Две основные современные теории атмосферного электричества предложили Чарльз Вильсон (автор “камеры Вильсона”, 1869-1959) и Яков Френкель (1894-1952).

Согласно теории Вильсона, предложенной им в конце XIX в., Земля и ионосфера играют роль обкладок конденсатора, заряжаемого грозовыми облаками. Возникающая между обкладками разность потенциалов приводит к появлению электрического поля атмосферы.

10. Баланс электрических токов между атмосферой и землёй. Различают 4 вида электрических токов в атмосфере:

а. Вертикальный ток проводимости,

б. Конвективный ток переноса зарядов осадками и аэрозолями,

в. Ток с острий при высоких значениях напряжённости атмосферного поля,

г. Ток молний на земную поверхность.

Если бы в атмосфере существовал только ток проводимости, то потенциалы ионосферы и земли сравнялись бы через несколько часов. Но глобальное электрическое поле существует постоянно. Это значит, что существуют процессы, посредством которых этот ток компенсируется.

Поскольку ток проводимости приносит на землю положительный заряд, то для сохранения неизменным глобального электрического поля суммарное действие остальных процессов должно компенсировать этот ток.

При всём многообразии соотношения процессов и при всей зависимости их от географического места и времени года, соотношение между токами в умеренном поясе приблизительно соответствуют результатам, полученным для Кембриджа (Англия). Ниже приведены значения заряда в кулонах, приносимого на площадь 1 км² в год.

Из этих данных следует, что основная роль принадлежит токами с острий. Этот вывод подтверждается огромным фактическим материалом, полученным в других местах.