Атмосферное электричество

Основные вопросы, рассматриваемые на лекции:

1. Ионизация атмосферы

2. Атмосферное электрическое поле.

3. Электрические токи в атмосфере

4. Горозовое электричество

1. Ионизация атмосферы. Атмосфера обязана своей проводимостью присутствием в ней положительно и отрицательно.заряженных мельчайших частиц, получивших название ионов.

Количество ионов в атмосфере зависит от действия ионизаторов. Такими ионизаторами в тропосфере являются космические лучи и радиоактивные излучения земных пород и самой атмосферы, а в более высоких слоях — главным об­разом ультрафиолетовое, рентгеновское и другие излучения Солнца. Предоставленный самому себе воздух, защищенный от внешних воздействий, не проводит электрический ток.

Сущность процесса ионизации заключается в том, что под действием ионизатора молекуле или атому газа пере­дается энергия, достаточная, чтобы удалить из сферы дей­ствие ядра один из наружных валентных электронов. В ре­зультате ионизации из нейтральной частицы образуются две заряженные; положительная — ион и отрицательная — электрон. Возникший электрон почти мгновенно присоединяется к одному из нейтральных атомов окружающей среды и обра­зует отрицательный ион. В начальной стадии ионизации в атмосфере образуются попарно (положительный и отрицательный) ионы, имеющие молекулярные размеры и несущие каждый по одному элементарному заряду, т. е. заряду элект­рона, равному 1,60219-¹⁹ Кл (кулон).

Для того чтобы удалить из нейтральной частицы электрон, надо затратить некоторую энергию. Наименьшая энергия, при которой данная частица X может быть ионизирована, называется потенциалом ионизации данной частицы и выражается в электронвольтах (эВ). Не всякое излучение может вызвать ионизацию. Оторвать электрон от частицы можно, лишь воздействуя на нее излучением, квант которого несет энергию, не меньшую, чем У_х • Энергия, необходимая для ионизации газов, входящих в состав атмосферы, для разных газов различна.

Космические лучи. Каждую секунду из глубины Вселен­ной на площадку в 1 см2, расположенную непосредственно за пределами земной поверхности, поступает около двух релятивистских, т. е. движущихся со скоростью, близкой к скорости света, и, следовательно, обладающих большой энер­гией, заряженных частиц. Поток этих частиц называют пер­вичными космическими лучами. Минимальная энергия ча­стиц первичного излучения составляет 1ч-1,5 млрд эВ, мак­симальная - - порядка 1018 млрд эВ.

Существует несколько гипотез происхождения космиче­ских лучей за счет ускоряющего действия околозвездных или межпланетных электромагнитных полей. Более других опирается на экспериментальные данные гипотеза советских ученых В. Л. Гинзбурга и И. С. Шкловского о генерации космических лучей при взрывах сверхновых звезд в нашей Галактике.

Первичное космическое излучение состоит в основном из протонов, или ядер водорода (83%), а также а-частиц, или ядер гелия (16%), в небольшой степени — из ядер груп­пы С, М, О (около 1%) и в еще меньшем количестве — из ядер других элементов, вплоть до железа.

При столкновении несущих большую энергию частиц первичного космического излучения с атомными ядрами воздуха они дробят атомы атмосферных газов, передают им свою энергию и при этом разрушаются сами. В результате таких атомных взрывов возникают новые элементарные ча­стицы, которые разлетаются во все стороны с большими ско­ростями и, в свою очередь, становятся причиной подобных же взрывов. Одна-единственная первичная частица с боль­шой энергией способна создать электронно-ядерный ливень.протонов, электронов, нейтронов, позитронов, мезонов и дру­гих видов элементарных частиц. Так возникает вторичное космическое излучение.

Многие из частиц вторичного космического излучения, обладающих большими энергиями, достигают земной по­верхности и проникают в глубь земной коры. По мере раз­множения энергия отдельных частиц быстро падает, особен­но быстро в веществах с высоким атомным номером.

Описанный механизм образования ядерно-электронных ливней, представленный здесь упрощенно, ведет к отрыву от нейтральных атомов электронов и, следовательно, к созда­нию свободных заряженных частиц в атмосфере, чем и обес­печивает ее электрическую проводимость.

Поскольку число первичных космических частиц, попа­дающих в атмосферу Земли, невелико, то и суммарная энер­гия, которую они несут, тоже не велика, несмотря на колос­сальную энергию отдельных частиц. Расчеты показывают, что ионизирующая способность космических лучей в мил­лионы раз меньше той, которой обладает ультрафиолетовое излучение Солнца. И все же в образовании самых нижних слоев ионосферы, куда солнечное ионизирующее излучение проникает с трудом, космические лучи играют важную роль.

Солнечные лучи. Они обладают самой большой энергией ионизирующего излучения. Кроме тепла и света в спектре солнечного электромагнитного излучения имеются очень энергичное коротковолновое рентгеновское и ультрафиолето­вое излучения. Преобладающая часть этих излучений погло­щается в верхних слоях атмосферы (выше 40 км). Процесс поглощения сопровождается расщеплением атомов воздуха на ионы — носители электрически заряженных частиц.

Встречая на своем пути молекулу воздуха, коротковолновое излучение (ультрафиолетовое и рентгеновское) в состоя­нии разрушить ее.

Сначала молекула распадается на отдельные атомы; за­тем атомы, поглощая энергию ионизирующего излучения, становятся неустойчивыми или, как говорят, «возбужден­ными». Они перенасыщены внутренней энергией и готовы к распаду. И, наконец, впитав еще некоторое количество энер­гии или просто столкнувшись с соседом, атомы распадаются на ионы и электроны. Произошел процесс ионизации.

Корпускулярное излучение Солнца. Ионизирует атмос­феру в пределах, сравнимых с теми, которые создаются электромагнитным излучением Солнца, и корпускулярное (солнечное излучение, состоящее из материальных частиц — корпускул. Корпускулы представляют собой смесь электронов, протонов, ионизированных атомов различных элементов, входящих в состав раскаленной солнечной атмосферы. В целом излучение Солнца и высокая его температура ионизируют истекающий из Солнца газ, и поэтому каждый его атом несет электрический заряд.

Радиоактивное излучение. Главнейшим ионизатором для нижних слоев атмосферы до высоты 3—4 км над земной по­верхностью является излучение радиоактивных веществ, со­держащихся в земной коре и атмосфере. Выше 4 км дейст­вие радиоактивных ионизаторов практически становится равным нулю. Вскоре после открытия радиоактивных ве­ществ было установлено, что не только почти все породы земной -коры, но и все естественные воды, а также атмосфер­ный воздух содержат эти элементы, которые попадают в них из земной коры.

Все другие ионизаторы (тихие заряды, возникающие при высоких напряженностях электрического поля, молнии, снежные и пыльные бури и т. д.) имеют либо второстепен­ное, либо весьма ограниченное по месту и времени значе­ние. Ионы могут возникать также в результате распыления воды у водопадов и во время морского прибоя.

Если бы в атмосфере действовал только процесс иони­зации, происходило бы непрерывное накопление заряженных частиц и концентрация ионов и электронов бесконечно бы возрастала. Но реально этого не наблюдается. Как только образовалось некоторое заметное количество положительных ионов Х⁺ и отрицательных электронов —е, начинается об­ратный (по отношению к ионизации) процесс соединения по­ложительного иона с электроном, приводящий к восстанов­лению нейтральной частицы, «погибшей» в результате ионизации.

Такой процесс называется нейтрализацией, или рекомбинацией. Рекомбинация положительного и отрицательногоионов в основном происходит в нижних слоях атмосферы, положительного иона и электрона — в верхних слоях.

Скорость ионизации и рекомбинации, т. е. количество образованных пар ион — электрон в 1 см³ в 1 с, на различ­ных высотах неодинакова, так как неодинакова мощность ионизаторов. Поэтому вертикальный профиль концентрации ионов и электронов в атмосфере имеет сложный характер.

Энергия ионизации Солнца поступает сверху, и по мере того, как она затрачивается на.превращение воздуха-изоля­тора в воздух-проводник электричества, уменьшается. Чем ближе к Земле, тем плотнее становится воздух, тем меньше эта энергия и меньше доля заряженных частиц по отноше­нию к частицам, оставшимся нейтральными.

Однако надо учесть то обстоятельство, что в самых верхних слоях степень разряжения очень велика, самих частиц очень мало и солнечному излучению просто не из чего образовать много заряженных частиц, так как не хватает исходного материала. Получается, что внизу много частиц, но не хватает энергии, а вверху много энергии, но не хва­тает частиц. Значит, максимум ионообразования должен быть где-то посредине, где воздух еще не столь разряжен и куда ионообразующее излучение доходит еще не слишком ослабленным.

Экспериментальные данные показывают, что главный максимум ионизации находится во внешней ионосфере на высоте около 300 км. Здесь концентрация свободных элект­ронов (т. е. количество электронов в 1 см³ воздуха) может.достигать нескольких миллионов. Выше и ниже главного максимума ионизация плавно убывает; вниз — быстрее, вверх — медленнее.

Электрическая проводимость атмосферы. Электропроводность атмосферы зависит от концентрации носителей положительных (п+) и отрицательных (п-) арядов, значений зарядов е+ и е- и их подвижности.

Наблюдения над концентрацией зарядов п+ и п-, про­веденные в различных пунктах Земли, показывают большую ее изменчивость как во времени, так и в пространстве. Объ­ясняется это многими причинами, влияющими на их образо­вание, перенос и соединение с нейтральными и заряженны­ми аэрозолями. В среднем число легких положительных (п+) и отрицательных (п-) ионов вблизи земной поверхно­сти составляет 400—600 в 1 см³, средних и тяжелых — не­сколько тысяч в 1 см³. Максимум ионов приходится на лето, минимум — на зиму. В суточном ходе наибольшая концент­рация ионов наблюдается в утренние часы, наименьшая — во второй половине дня.

Фактически уже на высоте 50 <км воздух становится хо­рошим проводником, так что эта высота может рассматри­ваться как нижняя граница ионосферы.

2. Атмосферное электрическое поле. Все воздушное пространство над земной поверхностью.пронизывают электрические токи,.создающие электрическое поле, направленное по вертикали от ионосферы к поверхно­сти Земли, Между нижней границей ионосферы и земной поверхностью имеется разность потенциалов около 4-10⁵ В, причем ионосфера заряжена положительно, а земная поверхность — отрицательно. Полный отрицательный заряд.Земли (как и положительный заряд ионосферы) составляет примерно 5,7-10⁵ Кл. Упомянутая разность потенциалов как раз и обусловливает положительный ток, текущий через атмосферу от нижней границы ионосферы к Земле.

Электрическое поле в атмосфере, как всякое электриче­ское поле, можно охарактеризовать в любой его точке зна­чением напряженности Е, обусловленной всеми электриче­скими зарядами, которые имеются как на поверхности Зем­ли, так и в атмосфере. Наблюдения над электрическим по­лем вблизи земной поверхности показывают чрезвычайно большую его изменчивость в зависимости от различного ро­да метеорологических факторов — влажности и прозрачно­сти воздуха, скорости ветра, осадков, облачности и т. п. В очень широких пределах (от нескольких десятков до сотен тысяч вольт на метр обоих знаков) напряженность изменястся при грозах, ливнях, метелях.

При ненарушенных атмосферных условиях, т. е. при ясной погоде как над сушей, так и над океанами, атмосфера заряжена.положительно по отношению к земной поверхности, Наибольшее значение напряженность поля принимает вблизи земной поверхности; в условиях чистой атмосферы она равна 130 В/м. С высотой.напряженность Е убывает по экспоненциальному закону.

Быстрое убывание с высотой напряженности электриче­ского поля объясняется тем, что в нижних слоях атмосферы имеются объемные положительные заряды, которые и умень­шают напряженность поля, обусловленную зарядом Зем­ли. Объемные заряды в атмосфере и их.перенос имеют су­щественное значение во всех явлениях атмосферного элект­ричества. Они образуются в результате неодинакового пе­ремещения под действием электрического поля ионов раз­личных знаков, отличающихся своими характеристиками. Объемные заряды также могут возникать при различного рода процессах электризации, когда атмосфера наполняет­ся заряженными частицами преимущественно одного знака, которые от места своего образования затем разносятся на значительные расстояния (пыль, дым, обломки л кристаллов и т. п.).

Из сказанного следует, что источником электрического поля атмосферы являются как отрицательный заряд Земли, так и положительные объемные заряды, сосредоточенные преимущественно в нижних слоях атмосферы.

Наблюдения показывают, что напряженность больше в средних широтах и убывает как к экватору, так и к полюсам.

Напряженность электрического поля подвержена регу­лярным периодическим изменениям, среди которых наибо­лее изучены годовые и суточные изменения. Годовой ход различен в разных местах. В средних широтах Северного полушарий он имеет один максимум в зимние месяцы и ми­нимум летом, причем амплитуда годовых 'колебаний умень­шается от средних широт к более южным и к полярным об­ластям. В тропических областях чаще наблюдаются два мак­симума и два минимума. Что касается Южного полушария, то здесь также один максимум и один минимум.

Из сказанного следует, что от ионосферы к Земле все время течет электрический ток. Но тогда возникает вопрос: эчему Земля, а заодно и ионосфера не разрядились давно и почему Земля неизменно сохраняет свой огромный отрицательный заряд 5,7-10⁵ Кл? Дело в том, что наряду с токами, непрерывно разряжающими атмосферу между нижней границей ионосферы и земной поверхностью, существуют встречные токи, которые непрерывно заряжают ее. Токи разрядки существуют в тех областях Земли, где в данный момент стоит хорошая логода, а токи зарядки возникают в областях нарушенной погоды. Области нарушенной погоды — понятие довольно широкое. Прежде всего к ним относятся области, где в данный момент происходят грозы и выпадают осадки. И молнии, и осадки переносят положительный заряд с земной поверхности в нижнюю часть тучи, после чего он переходит в ее верхнюю часть и в конечном счете обусловливает появление положительных токов от нижней границы тучи к нижней гра-нице ионосферы. Это и есть токи зарядки. Заметим, что во время грозы напряженность поля вблизи земной поверхно-превышает 10⁴ В/м, причем направлено поле не вниз Как в случае хорошей погоды, а вверх.

3. Электрические токи в атмосфере. Электрические токи в атмосфере обусловлены перено­сом содержащихся в воздухе электрических зарядов под действием электрических и механических сил. В нижних слоях атмосферы (тропосфере) выделяют пять форм этих токов:

1) токи проводимости, создаваемые движением ионов под действием сил нормального электрического поля;

2) токи конвективные, вызванные переносом объемных зарядов воздушными течениями;

3) токи смещения, возникающие при достаточно замет­ных по величине быстрых изменениях электрического поля;

4) токи осадков, представляющие собой поток электри­чества при падении заряженных капель дождя, снега, гра­да и т. п.;

5) токи грозовых разрядов и тихих разрядов с острых.предметов.

Заметное влияние на величину тока проводимости ока­зывают такие явления,.как мгла, туман, загрязнение атмос­феры дымом и пылью. Так, во время мглы и сухого тумана, когда сильно уменьшается электропроводность атмосферы, а напряженность электрического поля изменяется мало, вер­тикальный ток заметно уменьшается. В случаях, когда в воз­духе содержится много пыли, обычно отрицательно заря­женной, ток может принять даже отрицательные значения, т. е. направлен от земной поверхности в атмосферу.

Горизонтальные конвективные токи возникают в ре­зультате переноса объемных зарядов воздушными течения­ми. Плотность конвективных токов зависит от скорости воз­душных течений и плотности объемных зарядов.

Горизонтальные конвективные атмосферные токи по по­рядку величины сравнимы с вертикальным током проводимости и нередко могут превосходить его в десятки раз. Осо­бенно велики они могут быть при появлении больших объ­емных зарядов в атмосфере, как это, например, имеет место во время туманов, снежных метелей, пыльных бурь и т. п. Заряды, переносимые в этом случае, могут быть весьма значительными. Соприкасаясь с встречающимися на их пути изолированными предметами, например телеграфными про­водами, они заряжают их настолько сильно, что включен­ные между проводами и землей электрические лампочки мо­гут светиться почти полным накалом.

Среди других механизмов разделения зарядов отметим Дробление капель на более мелкие, столкновение ледяных капелек с ледяными кристалликами, трение падающих ка­пель о воздух и др. Все это говорит о сложности действительной картины процессов, происходящих в тучах и об­лаках.

На всех высотах сила тока одна и та же, так как элект­ропроводность атмосферы с высотой растет, а напряжен­ность электрического поля с высотой уменьшается.

В результате разделения зарядов, которое происходит в грозовом облаке, создаются сильные электрические поля как внутри облака, так и в окружающем пространстве; при этом напряженность поля у земной поверхности в отдельные мо­менты может достигать нескольких сотен киловольт на 1 м. При таких высоких значениях напряженности поля между отдельными частями облака или между облаком и земной поверхностью могут возникать искровые разряды, восприни­маемые нами в виде молнии.

4. Грозовое электричество. Ежегодно на земном шаре происходит 16-10⁶ гроз, в каждый момент времени в различных частях Земли в сред­нем наблюдается 1800 гроз, в каждую секунду количество отдельных молний достигает 100.

Грозовые разряды — молнии по своему виду весьма раз­личны. Наиболее часто наблюдается так называемая линейная молния с ее.многочисленными разновидностями, среди которых преобладают зигзагообразная и разветвленная, ре­же встречаются ленточная и ракетообразная. Значительно реже, чем линейные, наблюдаются четочные и шаровые молнии.

Образование токопроводящего канала начинается с то­го, что в нижней части тучи формируется электростатиче­ское поле очень большой напряженности (10⁵—10⁶ В/м). Свободные электроны получают в таком поле огромное ус­корение, направленное вниз, поскольку нижняя часть тучи заряжена отрицательно, а земная поверхность положитель­но. На пути от одного столкновения до другого электроны приобретают значительную кинетическую энергию. Поэто­му, сталкиваясь с атомами или молекулами, они ионизируют их. В результате рождаются новые электроны, которые, в свою очередь, ускоряются в поле тучи и затем в столкнове­ниях ионизируют новые атомы и молекулы. Возникают це­лые лавины электронов, образующие у самого низа тучи плазменные нити, или так называемые стримеры.

Сливаясь Друг с другом, стримеры дают начало плаз­менному каналу, по которому впоследствии пройдет импульс основного заряда. Этот канал наполнен свободными элект­ронами и ионами и поэтому хорошо проводит электрический ток. Канал имеет диаметр до 1 м; при этом основной ток протекает по более узкому внутреннему каналу диаметром около 1 см.

Начальный лидер движется к земле с большой скоро­стью — примерно 5-Ю⁴,км/с. Пройдя около 50—60 м, он внезапно останавливается (как бы набирая сил) примерно на 50 мкс. Затем следует скачок еще на 50—60 м, и вновь остановка на 50 мкс. С учетом пауз между скачками скорость ступенчатого лидера составляет примерно 1,5-10² км/с. Так отдельными скачками лидер.приближается к земной по­верхности, оставляя.позади себя плазменный канал. Достиг­нув земли, лидер замыкает электрическую цепь между зем­лей и тучей. В отличие от основного разряда, светится ли­дер относительно слабо. При высокоскоростной киносъемке он выглядит небольшим светлым пятном.

Как только лидер достигает земной поверхности немед­ленно возникает главный разряд, характеризующийся бы­стрым нарастанием силы тока до значений порядка 10⁵ А и интенсивным свечением, 'которое по мере продвижения раз­ряда вверх несколько уменьшается, особенно в разветвле­ниях. Скорость, с которой продвигается главный разряд, на­много больше скорости лидера: 2*10⁶—1,4-10⁷ км/с при наи­более вероятном значении около 3,5-10⁶ км/с. Продолжи­тельность разряда — примерно 50—100 мкс. Температура в канале достигает (1—2) -10⁴ К, количество выделяемой энергии до 10⁹ Дж. Количество электричества, связанное со вспышкой молнии, колеблется от 10 до 50 Кл.

Принято считать, что молния бьет из тучи в землю. Но это не так, в большинстве случаев молнии бьют из земли в тучу, так как разогрев плазменного канала развивается в направлении от земной поверхности, к туче, т. е. снизу вверх. Поясним это, разбив условно весь канал на несколько час­тей. Как только канал образовался (головка лидера достиг­ла земли), вниз соскакивают прежде всего те электроны, ко­торые находились в самой нижней его части; поэтому ниж­няя часть канала первой начинает светиться и разогревать­ся. Затем к земле устремляются электроны из более высо­кой части канала; начинает светиться и разогреваться эта часть канала. И так постепенно — от низа до верха — в движении к земле включаются все новые и новые электро­ны; в результате разогрев и свечение канала распространя­ются снизу вверх.

После того как прошел импульс основного тока, насту­пает пауза от 10 до 50 мс. За это время канал практически гаснет, его температура падает примерно до 10³ К, степень ионизации канала существенно уменьшается.

Но в туче еще сохранился большой заряд, поэтому но­вый лидер устремляется к земле, готовя дорогу для нового импульса тока. Новый лидер идет,по пути, который был про­торен начальным лидером — ведь на этом пути сохранилось еще много ионов. Весь путь от тучи до земли новый лидер проходит уже без остановок, за время около 1 мс. Его те­перь называют не ступенчатым, а стреловидным лидером. И снова следует мощный импульс основного тока, распрост­раняющийся по восстановленному каналу снизу вверх.

После очередной паузы, измеряемой десятками миллисекунд, все повторяется. В итоге высвечиваются мощные импульсы, которые воспринимаются как единый разряд мол­нии, как единая яркая вспышка.

Возникающий после молнии гром объясняется тем, что воздух внутри канала молнии из-за быстрого нарастания тока сильно нагревается и вследствие этого быстро расши­ряется. После внезапного прекращения тока температура в канале молнии падает, так как тепло уходит в атмосферу,, канал быстро охлаждается, воздух в нем резко сжимается, вследствие чего и возникают звуковые волны. Так как звук от различных точек канала молнии доходит до наблюдателя не одновременно, а также вследствие отражения звука от облаков и от земли, гром имеет характер длительных раскатов.

Лекция № 12

Дата добавления: 2014-01-11