атмосферное электричество

АТМОСФЕРНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО - 1) совокупность электрич. явлений и процессов в атмосфере. 2) Раздел геофизики, изучающий электрич. явления и процессы в атмосфере, её электрические свойства и характеристики.

Электрическое поле атмосферы. В тропосфере все облака и осадки, туманы, пыль обычно электрически заряжены; даже в чистой атмосфере постоянно существует электрич. поле. А. э. данного района зависит от глобальных и локальных факторов. Районы, где действие первых преобладает, рассматриваются как зоны "хорошей", или ненарушенной, погоды. В этих зонах отсутствуют значит. скопления аэрозолей и источники сильной ионизации. При преобладании локальных факторов говорят о зонах нарушенной погоды (районах гроз, пыльных бурь, осадков и др.).

Исследования в зонах "хорошей" погоды показали, что у поверхности Земли существует стационарное электрич. поле напряжённостью E, в ср. равной ок. 130 В/м. Земля при этом имеет отрицат. заряд ок. -3*10⁵ Кл, а атмосфера в целом заряжена положительно.

Рис. 1. Ход напряжённости электрического поля E с высотой HB зонах "хорошей" погоды. 1 - в чистой атмосфере (океан, арктические районы и т. д.); 2 - над континентами.

E имеет наиб. значения в средних широтах, а к полюсам и экватору убывает. С высотой E уменьшается и на высоте 10 км не превышает неск. В/м. Только вблизи поверхности Земли в слое перемешивания толщиной 300-3000 м, где скапливаются аэрозоли, E может с высотой возрастать. Выше слоя перемешивания E убывает с высотой по экспоненц. закону (рис. 1). Разность потенциалов между Землёй и ионосферой составляет 200-250 кВ.

Рис. 2. Суточный ход унитарной вариации напряженности по среднему Гринвическому времени (с. г в.) электрического поля над океанами (1), в полярных областях (2) и суточный ход площади, занятой грозами (3).

E меняется также во времени: наряду с локальными суточными и годовыми вариациями E отмечаются синхронные для всех пунктов суточные (рис. 2, кривые 1 и 2) и годовые вариации E - т. н. унитарные вариации, к-рые связаны с изменением электрич. заряда Земли в целом, тогда как локальные - с изменениями величины и распределения по высоте объемных электрич. зарядов в атмосфере в данном районе.

Электропроводность атмосферы. Электрич. состояние атмосферы в значит. степени определяется её электропроводностью, к-рая очень мала [у поверхности Земли в ср. ]. В слое перемешивания незначительно увеличивается с высотой, а выше растёт примерно по экспоненциальному закону, достигая на высоте 10 км значения .создаётся ионами и равна, где е - элементарный заряд, - концентрация ионов с подвижностью . Осн. вклад в вносят лёгкие ионы с м²/с*В [у поверхности Земли]. Средние ионы с м²/с*В и тяжёлые с м²/с*В, образующиеся обычно при захвате лёгких ионов тяжёлыми частицами, на величину заметно не влияют. Концентрация лёгких ионов возрастает с увеличением интенсивности ионизации q и уменьшается с увеличением концентрации частиц в атмосфере N. Измерения или (и) концентрации ионов позволяют определить ничтожные кол-ва аэрозольных примесей в атмосфере.

Осн. ионизаторами атмосферы являются: 1) космич. лучи, действующие во всей толще атмосферы; 2) излучение радиоакт. веществ, находящихся в земле и воздухе; ионизирующее действие первой компоненты круто падает с высотой, вторая действует до высоты в неск. км; 3) УФ- и корпускулярное излучение Солнца, ионизирующее действие к-рого проявляется на высотах более 50-60 км. У поверхности земли, не покрытой снегом, в ср. 20 ион/см³, на высоте 10 км10 ион/см³ с; с высоты в неск. десятков км q растёт. С др. стороны, N убывает с высотой, причём в слое перемешивания скорость убывания мала. Комбинация обоих факторов в сочетании с увеличением подвижности ионов при уменьшении плотности воздуха создаёт наблюдаемые характеристики и вертик. ход E.

Электрич. ток в атмосфере. Под влиянием E в атмосфере к Земле течёт вертик. ток проводимости плотностью со ср. плотностью ок. . На всю поверхность Земли течёт ток ок. 1800 А. относительно постоянна по высоте, наиб. отклонения от постоянства испытывает в слое перемешивания. В атмосфере текут также токи конвективного переноса объёмных зарядов и токи диффузии. В слое перемешивания плотность этих токов сравнима с i_п. T. к. в стационарных условиях суммарная плотность тока не должна меняться с высотой, то в слое перемешивания сумма плотностей всех трёх токов равна плотности тока проводимости на больших высотах. Время, в течение к-рого заряд Земли в отсутствие перезарядки за счёт токов проводимости атмосферы уменьшился бы до 0,37 от своего первоначального значения, 500 с. Однако заряд Земли в ср. не меняется за счёт существования атмосферно-электрич. "генераторов", заряжающих Землю.

Вблизи поверхности земли, где поток положит. ионов, текущих под действием E, не компенсируется встречным потоком отрицат. ионов, накапливается объёмный положит. электрич. заряд; этот - электродный - эффект существенно влияет на характеристики А. э. в приземном слое (рис. 1, кривая 2). Над морем, где запылённость уменьшена, а земные источники ионизации отсутствуют, глобальные факторы нередко преобладают над локальными (рис. 2, кривая 1). Аналогично при появлении снежного покрова становится заметнее влияние глобальных факторов (рис. 2, кривая 2). Антропогенная деятельность приводит к заметным изменениям локальных атмосферно-электрич. характеристик, сказываясь на их вековом ходе. С одной стороны, увеличение запылённости атмосферы привело к уменьшению и соответствующему возрастанию E в слое перемешивания. Даже в центре Атлантики проводимость за 60 лет (1910-70) уменьшилась в 2 раза.

Рис. 3. Вековой ход E (1)и(г) в Ташкенте. На фоне роста E, связанного с индустриальными загрязнениями, выделяется её уменьшение в период испытаний ядерного оружия (1945, 1958- 1959 и 1963).

С др. стороны, испытания атомных бомб, увеличив ионизацию атмосферы, привели к увеличениюи уменьшению E (рис. 3). В дальнейшем можно ожидать ещё большего влияния антропогенной деятельности на атмосферно-электрич. характеристики, даже в глобальных масштабах.

"Генераторы" атмосферного электричества. В зонах нарушенной погоды пылевые бури и извержения вулканов, метели и разбрызгивание воды прибоем и водопадами, облака и осадки, пар и дым промышленных источников и т. д. являются "генераторами" А. э. Электризация при почти всех перечисленных явлениях может проявляться весьма бурно: извержение вулканов, песчаные бури, торнадо приводят к возникновению грозовых явлений, даже метели создают иногда молнии; и всё же наибольший вклад в электризацию атмосферы вносят облака и осадки. По мере укрупнения частиц облаков, увеличения их толщины, усиления осадков из них растёт их электризация.

В слоистых и слоисто-кучевых облаках плотность объёмных зарядов Кл/км³ (что примерно в 10 раз превышает их плотность в чистой атмосфере), E=100-300 В/м, на отдельных облачных капельках находится заряд Q=10-100 е. Наиб. часто эти облака заряжены в верхней части положительно, в нижней - отрицательно. В слоисто-дождевых облаках все эти величины больше в неск. раз. Заряды капель осадков доходят до Q=10⁵-10⁶ е. Плотность токов этих осадков на Землю =5*10^-12-10^-11 А/м² в наших широтах и возрастает к экватору. В кучево-дождевых облаках с ливнем и грозой соотв. средние значения =(0,3-10)*10^-9 Кл/м³ и (3-30)*10^-9 Кл/м³, a E=(1-5)*10⁴ В/м и Е=(5-2O)*10⁴ В/м, Q=100-500 е, Q=10⁶-10⁷е. В зонах экстремумов напряжённость поля и плотность объёмных зарядов могут на порядок величины и более превосходить ср. значения. По-видимому, в этих зонах и зарождаются молнии. Из ливневых облаков = 10^-10-10^-9 А/м², из грозовых =10^-9-10^-8 А/м². Полный ток, текущий на землю от одного грозового облака, равен в наших широтах ок. =0,01-0,1 А, а ближе к экватору =0,5-1 А. Токи, текущие в этих облаках, в 10-100 раз больше токов, притекающих к земле.

Электропроводность во всех видах облаков, кроме грозовых, мала, она в неск. раз (2-10) меньше проводимости чистой атмосферы на той же высоте. Турбулентное перемешивание в облаках слоистых форм невелико, поэтому даже слабые процессы электризации, действующие в этих облаках, могут создать заметные электрич. эффекты. Эфф. проводимость, создаваемая электрич. проводимостью и турбулентностью в грозовых облаках, в 10-100 раз выше, чем в окружающей атмосфере, поэтому гроза в электрич. отношении подобна короткозамкнутому генератору. Электрич. поле Земли и ток Земля - атмосфера в зонах хорошей погоды поддерживаются процессами в зонах нарушенной погоды.

Долгое время считалось, что ок. 1800 гроз, в ср. сосуществующих одноврем. на Земле, дают ток I_r N2000 А (где N - число гроз), компенсирующий ток потери отрицат. заряда Земли за счёт токов в зонах "хорошей" погоды, и что колебания грозовой активности во времени обусловливают наблюдаемые унитарные вариации. В действительности существует близкое подобие суточного хода площади, занятой грозами (рис. 2, кривая 3), и унитарной вариации (рис. 2, кривые 1 и 2). Однако выяснилось, что ток гроз заметно меньше указанного и что унитарные вариации связаны также с облаками слоистых форм и с процессами конвекции в атмосфере по всей поверхности Земли.

Молнии. Линейные молнии, генерируемые облаками, являются разновидностью искрового разряда, возникающего в отсутствие электродов в массе заряженных и хорошо изолированных друг от друга частиц (ср. расстояние между частицами облаков на два порядка величины превосходит их размеры). Выделяют два класса линейных молний: ударяющих в землю - "наземных" и внутриоблачных. При ср. длине молниевых разрядов в неск. км отмечаются внутриоблачные молнии, доходящие до 50 км и даже 150 км. Токи наземных молний при ср. значениях пиковых величин 20 кА иногда достигают 500 кА. Во внутриоблачных разрядах эти токи меньше примерно на порядок величины.

Разряды молний сопровождаются эл--магн. излучением (атмосфериками)в широком спектре частот. Помимо линейных наблюдаются чёточная молния (как бы цепь светящихся пятен - чёток, отделённых тёмными промежутками) и шаровые молнии. Последние представляют собой светящиеся образования, нередко шаровой формы, со ср. диам. 10-20 см, с уд. плотностью, близкой к плотности воздуха, продолжительностью жизни от неск. секунд до десятков секунд и уд. энергией, доходящей до 10⁶-10⁷ Дж/г. Шаровые молнии даже вне грозовых облаков встречаются в облаках в 100 раз чаще, чем вблизи земли. Отмечались шаровые молнии, возникавшие в экранированных объёмах. Удовлетворительной теории происхождения шаровой молнии пока нет.

Воздействуя на облака, можно заметно менять их электрич. состояние (рис. 4), меняя условия электризации частиц в них.

Рис. 4. Напряжённость электрического поля E над мощным кучевым облаком до (а) и через 5 мин после (б) воздействия сухой углекислотой.

Быстро вводя в облака с сильными электрич. полями проводники (так чтобы не возникали экранирующие объёмные заряды), особенно заряженные, можно вызвать искусств. молнию. В ряде случаев электрически заряженные самолёты вызывали такие разряды.

Огни Эльма. Когда у поверхности Земли E превышает 500-1000 В/м, начинается электрич. разряд с острых, вытянутых предметов (травы, деревьев, линий электропередач, мачт, труб и т. д.), сопровождаемый характерным шумом; при дальнейшем усилении поля разряд становится видимым, иногда довольно ярким, с переходом в коронную форму. Огни электрич. короны в атмосфере часто наз. огнями св. Эльма, они особенно сильны в горах и на море. На очень высоких сооружениях (телевиз. мачты и т. п.) ток короны может превышать 10 мА. При полёте самолёта в облаках нередко происходит его заряжение благодаря контактным процессам и появление на заострённых концах токов короны, к-рые могут превышать 10 мА при потенциалах >10⁶ В, создавая существ. помехи радиоприёму.

Исследования А. э. позволяют выяснить природу электрич. процессов в атмосфере, в частности причины глобальных вариаций электрич. полей в ней, предсказать последствия антропогенной деятельности на электрич. состояние атмосферы. Данные об унитарных вариациях электрич. поля могут стать основой для решения многих проблем существования и механизмов солнечно-тропосферных связей. Сведения об электричестве атмосферы позволяют оценить биол. влияние его факторов, снизить вредное, а иногда и опасное воздействие на линии электропередач, связи, открытые разработки, авиацию, высотные сооружения и т. д.

Лит.: Имянитов И. M., Чубаринa E. В., Электричество свободной атмосферы, Л., 1965; Имянитов И. M., Чубаринa E. В., Шварц Я. M., Электричество облаков, Л., 1971; Юман M., Молния, пер. с англ., M., 1972; Чалмерс Д ж. - А., Атмосферное электричество, пер. с англ., Л., 1974; Мучник В. M., Физика грозы, Л., 1974; Мучник В. M., Фишман Б. E., Электризация грубодисперсных аэрозолей в атмосфере. Л., 1982; Israel H., Atmospheric electricity, 2 ed., v. 1-2, Jerusalem, 1970-73; Lightning, ed. by R. H. Golde, v. 1-2, L.- N.Y., 1977.

И. М. Имянитов.

   <<      Предметный указатель      >>