електрика атмосфери
1. Грозовое електрику цікавило людей з давніх-давен. Першими грозове електрику вивчали Михайло Ломоносов (1711-1765) і Бенджамін Франклін (1706-1790). Ломоносов пов'язував походження атмосферної електрики з висхідними і спадними потоками повітря. Франклін довів у 1753 р електричну природу блискавки і тотожність земного і атмосферної електрики. Він же винайшов в 1750 р блискавковідвід.
У XX столітті був виконаний величезний обсяг досліджень по атмосферному електрики. Реальна картина виявилася настільки складною, що до сих пір теорія атмосферної електрики в цілому і грозового електрики зокрема носить полукачественний характер.
2. Розподіл зарядів у грозовому хмарі. Поки в хмарі не утворюються і не випадають частки опадів, хмара в основному нейтрально. Лише при утворенні в хмарі досить великих часток опадів відбувається поділ різнойменно заряджених частинок. В результаті в хмарі утворюються значні об'ємні заряди.
З початком поділу частинок в грозовому хмарі в його нижній частині до висоти розташування ізотерми 0 ° накопичуються негативні заряди (ріс.174). Вище ізотерми -12 ° С накопичуються позитивні заряди. У проміжному шарі між изотермами 0 ° С і -12 ° С створюється суміш позитивних і негативних зарядів.
В результаті баллоелектрічес-кого ефекту утворюються великі позитивні об'ємні заряди в верхньої частини грозових хмар. Між такими об'ємними зарядами як всередині хмари, так і між хмарою і Землею виникають ьние електричні поля напруженістю до 100 000 В / м. У таких полях і виникають електричні іскрові розряди - блискавки.
3. Блискавка. Розрізняють 4 види блискавок: лінійна, плоска, чёточная, кульова.
Лінійна блискавка спостерігається найбільш часто. Її форма - зигзаг, древовидно-розгалужена, стрічкова. Середня довжина видимої частини лінійної блискавки 2-3 км. Довжина блискавки між хмарами може досягати 15-20 км. Середній діаметр каналу блискавки становить близько 15 см.
Блискавка, що сприймається оком як один спалах, насправді являє собою переривчастий розряд, що складається з ряду окремих розрядів - імпульсів, число яких може доходити до 50. Тривалість окремого імпульсу 50-100 мкс, середній проміжок між ними 0,03 с. Повна тривалість блискавки в залежності від числа окремих імпульсів може досягати 1,5 с. Найчастіше вона становить близько 0,2 с.
Кількість електрики, що протікає за час однієї блискавки, може досягати 50 Кл при середньому значенні 20 Кл. Так як тривалість блискавки мала, то сила струму в блискавки може досягати 10 5 А. В помірних широтах середній струм складає біля 10 4 А. Приблизно ¾ всіх блискавок несуть на землю негативні заряди, а ¼ - позитивні.
Лінійна блискавка супроводжується розкотистим звуком - громом. Він виникає тому, що при швидкому наростанні струму блискавки її канал практично миттєво розігрівається до 10 000-20 000 ° С. Вибухове зростання тиску в газі призводить до появи звукової хвилі. Середня відстань, на якому чути грім, 15-20 км. Коли блискавка вдаряє в землю недалеко від спостерігача, грім має характер сильного і уривчастого удару. Зі збільшенням відстані за рахунок відображень звуку з'являються гуркіт.
Плоска блискавка являє собою просторово протяжний розряд усередині хмари. Супроводжується слабким розмитим світінням. Звук практично відсутня або дуже слабка. У народі плоскі блискавки відомі під назвою зірниці. Найчастіше зірниці спостерігаються в кінці літа.
Чёточная блискавка з'являється після інтенсивного іскрового розряду і являє собою ланцюжок з 10-30 куль діаметром »10 см.
Відстань між кулями зазвичай не перевищує їх діаметра. Тривалість чёточной блискавки близько 0,5 с. Спостерігається дуже рідко і тому практично не вивчена.
Кульова блискавка спостерігається частіше чёточной, але все спостереження над нею носять випадковий і в основному якісний характер. Вона має вигляд кулі, що світиться діаметром від декількох сантиметрів до декількох метрів, найчастіше 10-20 см, як би що пливе в атмосфері або по поверхні предметів, на які вона осідає.
Складність вивчення кульової блискавки полягати в тому, що до останнього часу її не вдається відтворити в лабораторних умовах. Існує кілька десятків моделей кульової блискавки, але жодна з них не може бути визнана остаточною.
Іони в атмосфері. В середині XVIII ст. незабаром після винаходу конденсатора (П. Мушенбрук. +1745) було помічено, що заряджені тіла поступово втрачають в повітрі свій заряд. Шарль Кулон в 1785 р встановив, що швидкість зменшення заряду пропорційна величині заряду, Þ . (23.1)
Тут а - коефіцієнт пропорційності, що називається коефіцієнтом розсіювання. - початковий заряд.
Лише в кінці XIX в. це явище стікання заряду було пояснено тим, що атмосферне повітря містить найдрібніші позитивно і негативно заряджені частинки - іони (від грец. ion - що йде). В даний час все атмосферні іони ділять на два класи: легкі і важкі іони.
Легкі іони утворюються з нейтральних молекул повітря, які іонізуються, тобто втрачають електрон під дією космічного випромінювання або радіоактивного випромінювання Землі. Молекула перетворюється при цьому в позитивно заряджений іон, а відділився електрон за час не більше 10 -5 секунди приєднується до іншої молекули, перетворюючи її в негативно заряджений іон. В результаті утворюються позитивний і негативний іони з близькими масами.
Важкі іони утворюються з частинок аерозолю, які приєднали до себе зазвичай один легкий іон. Розмір важких іонів близько 6 × 10 -8 м.
Хоча концентрації легких і важких іонів як правило мало різняться між собою, електропровідність повітря на 90-95% обумовлена легкими іонами завдяки їх великій рухливості.
2. Іоносфера. З ростом висоти електропровідність атмосферного повітря зростає. Починаючи з висоти 30 км і більше електрони, що утворюються в процесі іонізації, через низьку концентрації молекул повітря можуть тривалий час існувати у вільному стані. Їх концентрація n в денні години на висоті 60-70 км досягає 10 3 ел / см 3. Зі збільшенням висоти h концентрація електронів зростає до максимуму nmax = 10 6 ел / см 3 на висоті близько 300 км (ріс.175).
По відношенню до радіохвиль іоносфера завдяки наявності в ній вільних електронів поводиться як середовище, показник заломлення якої менше, ніж у нижче розташованих шарів слабо іонізованого повітря. Тому радіохвилі, які падають на іоносферу з боку поверхні Землі, відчувають повне внутрішньо віддзеркалення.
Чим більше довжина l радіохвиль, тим менше вони поглинаються іоносферою при відображенні, тим краще забезпечується за їх допомогою далекий зв'язок.
Хвилі коротше 10 м сильно поглинаються іоносферою, їх інтенсивність при відображенні падає, тому радіозв'язок на коротких хвилях на відстанях, великих прямої видимості, стає нестійкою.
3. Глобальне електричне поле в атмосфері.
Еквіпотенціальні поверхні, побудовані з постійним кроком, показані на ріс.177. Найбільш тісно вони розташовані біля самої поверхні Землі. Це пояснюється тим, що електропровідність атмосферного повітря біля поверхні Землі мінімальна. З ростом висоти електропровідність швидко збільшується.
4. Об'ємний заряд і вертикальний струм в атмосфері. Зміна напруженості Е електричного поля атмосфери пояснюється наявністю в атмосфері об'ємних електричних зарядів.
Вектор E глобального електричного поля спрямований вертикально зверху вниз. Його потік через бічну поверхню циліндра дорівнює нулю. Потік через нижню підставу позитивний, так як вектор нормалі n паралельний вектору E. n --E. Nніз = ЕS.
Потік через верхню основу негативний, так як n -¯E. Вважаючи, що на висоті h + dh напруженість поля дорівнює E + dE. отримуємо: Nверх = - (E + dE) S. Звідси
Тут gradE = dEçdh - градієнт напруженості електричного поля. Чим швидше змінюється поле з висотою, тим більше його градієнт, і тим більше в даному місці щільність r об'ємного заряду.
На ріс.179 показана залежність r (h). Величина об'ємного заряду r виражена числом елементарних зарядів е в 1 см 3 повітря. З висотою щільність об'ємного заряду швидко убуває.
Обчислення показують, що в стовпі повітря площею 1 см 2 і висотою 9 км міститься об'ємний заряд 7 × 10 5 e. Це приблизно відповідає поверхневої густини заряду на земній поверхні.
Об'ємний заряд повітря - це нескомпенсований заряд. Якби позитивні і негативні іони і вільні електрони рекомбинировали в деякому обсязі, то залишилися б позитивні іони, яким для рекомбінації не знайшлося б пари. Ці надлишкові іони і утворюють об'ємний заряд повітря.
Оскільки іони і електрони повітря знаходяться в електричному полі атмосфери, то під дією електричної сили вони дрейфують. Позитивні іони - зверху вниз, негативні іони і електрони - від низу до верху. Виникає вертикальний струм провідності i в атмосфері. На відміну від напруженості Е і щільності об'ємного заряду r. які вибувають з висотою, струм провідності з висотою практично не змінюється (приблизно в шарі від 0 до 30 км). Його середня щільність становить близько 2 × 10 -1 2 А / м 2. Струм на всю поверхню Землі близько 1800 А.
Якби не існувало механізмів поділу зарядів, то при такому струмі поверхневий заряд Землі стікав би за час t = qçi = 5,7 × 10 5 ç 1,8 × 10 3 "5¸7 хвилин. Так як заряд Землі в середньому не міняється, то очевидно, що існують природні механізми, що заряджають атмосферне конденсатор. Це грозові хмари. Роль сторонніх сил при цьому відіграють висхідні потоки повітря, що розділяють заряди.
Відповідно до теорії Вільсона, запропонованої ним в кінці XIX в. Земля і іоносфера грають роль обкладок конденсатора, що заряджається грозовими хмарами. Яка виникає між обкладинками різниця потенціалів призводить до появи електричного поля атмосфери.
10. Баланс електричних струмів між атмосферою і землею. Розрізняють 4 види електричних струмів в атмосфері:
а. Вертикальний струм провідності,
б. Конвективний ток перенесення зарядів опадами і аерозолями,
в. Струм з вістрів при високих значеннях напруженості атмосферного поля,
м Струм блискавок на земну поверхню.
Якби в атмосфері існував тільки струм провідності, то потенціали іоносфери і землі зрівнялися б через кілька годин. Але глобальне електричне поле існує постійно. Це означає, що існують процеси, за допомогою яких цей струм компенсується.
Оскільки струм провідності приносить на землю позитивний заряд, то для збереження незмінним глобального електричного поля сумарна дія інших процесів має компенсувати цей струм.
При всьому різноманітті співвідношення процесів і при всій залежності їх від географічного місця і пори року, співвідношення між струмами в помірному поясі приблизно відповідають результатам, отриманим для Кембриджа (Англія). Нижче наведені значення заряду в кулонах, принесеного на площу 1 км 2 на рік.
+60 Кл / км 2 × рік