|
Атмосферное электричество - это
совокупность электрических явлений и процессов в атмосфере,
2) Атмосферное
электричество - это раздел физики
атмосферы, изучающий электрические явления в атмосфере и её
электрические свойства. При исследовании А. э. изучают электрическое
поле в атмосфере, её ионизациюи проводимость, электрические токи
в ней, объёмные заряды, заряды облаков и осадков, грозовые разряды и
многое др. Все проявления Атмосферного
электричества тесно связаны между
собой и на их развитие сильно влияют метеорологические факторы — облака,
осадки, метели и т. п. К области Атмосферного
электричества обычно относят процессы,
происходящие в тропосфере и стратосфере.
Начало Атмосферного электричества
как науке было положено в 18 в. американским учёным Б. Франклином,
экспериментально установившим электрическую природу молнии, и русским
учёным М. В. Ломоносовым — автором первой гипотезы, объясняющей
электризацию грозовых облаков. В 20 в. были открыты проводящие слои
атмосферы, лежащие на высоте более 60—100 км (ионосфера,
магнитосфера Земли), установлена электрическая природа полярных
сияний и обнаружен ряд других явлений, изучению которых посвящены
соответствующие науки, выделившиеся из Атмосферного
электричества Развитие космонавтики
позволило начать изучение электрических явлений в более высоких слоях
атмосферы прямыми методами. Две основные современные теории Атмосферного
электричества были созданы английским
учёным Ч. Вильсоном и советским учёным Я. И. Френкелем. Согласно теории
Вильсона, Земля и ионосфера играют роль обкладок конденсатора,
заряжаемого грозовыми облаками. Возникающая между обкладками разность
потенциалов приводит к появлению электрического поля атмосферы. По
теории Френкеля, электрическое поле атмосферы объясняется всецело
электрическими явлениями, происходящими в тропосфере, — поляризацией
облаков и их взаимодействием с Землёй, а ионосфера не играет
существенной роли в протекании атмосферных электрических процессов.
Атмосферное электричество данного района зависит
от глобальных и локальных факторов. Районы, где отсутствуют скопления
аэрозолей и источники сильной ионизации, рассматриваются как зоны
«хорошей», или «ненарушенной» погоды, здесь преобладают глобальные
факторы. В зонах «нарушенной» погоды (в районах гроз, пыльных бурь,
осадков и др.) преобладают локальные факторы.
Электрическое поле
атмосферы. В тропосфере все облака и осадки, туманы, пыль обычно
электрически заряжены; даже в чистой атмосфере постоянно существует
электрическое поле. Исследования в зонах «хорошей» погоды, начатые в 19
в., показали, что у земной поверхности существует стационарное
электрическое поле с напряжённостью Е, в среднем равной около 130
в/м. Земля при этом имеет отрицательный заряд, равный около 3 105
к, а атмосфера в целом заряжена положительно. Однако при
осадках и особенно грозах, метелях, пылевых бурях и т. п. напряжённость
поля может резко менять направление и величину, достигая иногда 1000
в/м. Наибольшие значения Е имеет в средних широтах, а к
полюсам и экватору убывает. В зонах «хорошей» погоды Е с высотой
в целом уменьшается, например над океанами. Вблизи земной поверхности, в
т. н. слое перемешивания толщиной 300—3000 м, где скапливаются
аэрозоли, Е может с высотой возрастать. Выше слоя перемешивания
Е убывает с высотой по экспоненциальному закону и на высоте 10
км не превышает несколько в/м. Это убывание Е связано
с тем, что в атмосфере содержатся положительные объёмные заряды,
плотность которых также быстро убывает с высотой.
Разность потенциалов
между Землёй и ионосферой составляет 200—250 кв.
Напряжённость
электрического поля Е меняется во времени. Наряду с локальными
суточными и годовыми вариациями Е отмечаются синхронные для всех
пунктов суточные и годовые вариации Е — т.н. унитарные вариации.
Унитарные вариации связаны с изменением электрического заряда Земли в
целом, локальные — с изменениями величины и распределения по высоте
объёмных электрических зарядов в атмосфере в данном районе.
Электрическая
проводимость атмосферы. Электрическое состояние атмосферы в значительной
степени определяется её электрической проводимостью
l, которая создаётся ионами,
находящимися в атмосфере. Наличие ионов в атмосфере и является причиной
потери заряда изолированным заряженным телом при соприкосновении с
воздухом (явление, открытое в конце 18 в. французским физиком Ш.
Кулоном). Электрическая проводимость l
зависит от количества ионов, содержащихся в единице объёма (их
концентрации), и их подвижности. Основной вклад в
l вносят лёгкие ионы, обладающие
наибольшей подвижностью u > 10-5м2 сек-1 в-1.
Электрическая проводимость атмосферы очень мала и может
сравниться с проводимостью хороших изоляторов. У земной
поверхности в среднем l = (1 - 2)·10-18
ом-1 м-1 и увеличивается с высотой примерно
по экспоненциальному закону; на высоте около 30 км
l достигает значений, почти
в 150 раз больших, чем у земной поверхности. Выше проводимость
увеличивается ещё более, причём особенно резко с высот, до которых
проникают ионизующие излучения Солнца и где начинается образование
ионосферы, проводимость которой приблизительно в 1012 раз
больше, чем в атмосфере вблизи земной поверхности.
Основные ионизаторы
атмосферы: 1) космические лучи, действующие во всей толще атмосферы; 2)
излучение радиоактивных веществ, находящихся в Земле и воздухе; 3)
ультрафиолетовое и корпускулярное излучения Солнца, ионизующее действие
которых заметно проявляется на высотах более 50—60 км.
Концентрация легких; ионов возрастает с увеличением интенсивности
ионизации и уменьшением концентрации частиц в атмосфере, поэтому
концентрация лёгких ионов растет с высотой. Этот факт в сочетании с
увеличением подвижности ионов при уменьшении плотности воздуха объясняет
характер изменения l и
Е с изменением высоты.
Электрический ток в
атмосфере. Движение ионов под действием сил электрического поля создаёт
в атмосфере вертикальный ток проводимости in = El,
со средней плотностью, равной около (2—3)·10-12 а/м2.
Т. о., в зонах «хорошей» погоды сила тока на всю поверхность Земли
составляет около 1800 а. Время, в течение которого заряд Земли за
счёт токов проводимости атмосферы уменьшился бы до 1/е
» 0,37 от своего первоначального
значения, равно ~ 500 сек. Т. к. заряд Земли в среднем не
меняется, то очевидно, что существуют «генераторы» Атмосферного
электричества, заряжающие Землю.
Помимо токов проводимости, в атмосфере текут значительные электрические
диффузионные и конвективные токи.
«Генераторы» атмосферного электричества. «Генераторами» Атмосферного
электричества в зонах нарушенной
погоды являются пылевые бури и извержения вулканов, метели и
разбрызгивание воды прибоем и водопадами, облака и осадки, пар и дым
промышленных источников и т. д. При почти всех перечисленных явлениях
электризация может проявляться весьма бурно: извержение вулканов,
песчаные бури и даже метели приводят иногда к образованию молний,
всё же наибольший вклад в электризацию атмосферы вносят облака и осадки.
По мере укрупнения
частиц облака, увеличения его толщины, усиления осадков из него растет
его электризация. Так, в слоистых и слоисто-кучевых облаках плотность
объёмных зарядов r 3 10-12 к/км3,
что приблизительно в 10 раз превышает их плотность в чистой атмосфере, а
в грозовых облаках r доходит до 3·10-8 к/м3. Облака могут быть заряжены
положительно в верхней части и отрицательно в нижней, но могут иметь и
противоположную полярность, а также преимущественный заряд одного знака.
Плотность тока осадков на Землю из слоисто-дождевых облаков ioc
= 10-12 а/м2, в то время как из грозовых ioc = 10-9а/м2. Полная сила
тока, текущего на Землю от одного грозового облака, в средних широтах
равна около —(0,01—0,1) а, а ближе к экватору до —(0,5—1,0) а.
Сила токов, текущих в самих этих облаках, в 10—100 раз больше силы
токов, притекающих к Земле. Т. о., гроза в электрическом отношении
подобна короткозамкнутому генератору.
При высоких значениях электрического поля у земной поверхности порядка 500—1000 в/м
начинается электрический разряд с острых вытянутых предметов (травы,
деревьев, мачт, труб и т.д.), который иногда становится видимым (т. н.
огни св. Эльма, особенно яркие в горах и на море). Возникающие
при метелях, ливнях и особенно грозах токи коронирования способствуют
обмену зарядами между Землёй и атмосферой.
Таким образом, электрическое поле Земли и ток Земля — атмосфера в зонах
хорошей погоды поддерживаются процессами в зонах нарушенной погоды. На
земном шаре одновременно существует около 1800 гроз; суммарная сила тока
от них, заряжающего Землю отрицательным зарядом, доходит до 1000 а.
Облака слоистых форм, хотя и менее активные, чем грозовые, но зато
покрывающие около половины земной поверхности, также вносят существенный
вклад в поддержание электрического поля Земли. Исследования
Атмосферного электричества
позволяют выяснить природу процессов, ведущих к колоссальной
электризации грозовых облаков, в целях прогноза и управления ими;
выяснить роль электрических сил в образовании облаков и осадков; они
дадут возможность снижения электризации самолётов и увеличения
безопасности полётов, а также раскрытия тайны образования шаровой
молнии.
|
|
