Атмосферное электричество описывает электрические заряды в атмосфере Земли (или другой планеты ). Движение заряда между поверхностью Земли, атмосферой и ионосферой известно как глобальная атмосферная электрическая цепь . Атмосферное электричество — это междисциплинарная тема с долгой историей, включающая концепции из электростатики , физики атмосферы , метеорологии и наук о Земле . [2]
Грозы действуют как гигантская батарея в атмосфере, заряжая электросферу примерно до 400 000 вольт относительно поверхности. [3] Это создает электрическое поле во всей атмосфере, которое уменьшается с увеличением высоты . Атмосферные ионы, созданные космическими лучами и естественной радиоактивностью, движутся в электрическом поле, поэтому через атмосферу протекает очень небольшой ток, даже вдали от гроз. Вблизи поверхности Земли величина поля в среднем составляет около 100 В/м, [4] ориентированная таким образом, что она направляет положительные заряды вниз. [5]
Атмосферное электричество включает в себя как грозы , которые создают молнии, быстро разряжающие огромные объемы атмосферного заряда, хранящегося в грозовых облаках, так и постоянную электризацию воздуха из-за ионизации космическими лучами и естественной радиоактивности , которые гарантируют, что атмосфера никогда не будет полностью нейтральной. [6]
Искры, вырывающиеся из электрических машин и лейденских банок, навели ранних экспериментаторов Хауксби , Ньютона , Уолла, Ноллета и Грея на мысль, что молния вызывается электрическими разрядами. В 1708 году доктор Уильям Уолл был одним из первых, кто заметил, что искровые разряды напоминают миниатюрные молнии, после того как наблюдал искры из заряженного куска янтаря .
Эксперименты Бенджамина Франклина показали, что электрические явления в атмосфере принципиально не отличаются от тех, что производятся в лаборатории , перечислив множество сходств между электричеством и молнией. К 1749 году Франклин обнаружил, что молния обладает почти всеми свойствами, наблюдаемыми в электрических машинах.
В июле 1750 года Франклин выдвинул гипотезу, что электричество можно получать из облаков с помощью высокой металлической антенны с острым концом. До того, как Франклин смог провести свой эксперимент, в 1752 году Тома-Франсуа Далибар установил 40-футовый (12-метровый) железный стержень в Марли-ла-Виль , недалеко от Парижа, высекая искры из пролетающего облака. С помощью изолированных от земли антенн экспериментатор мог поднести заземленный провод с изолированной восковой ручкой близко к антенне и наблюдать искровой разряд от антенны к заземляющему проводу. В мае 1752 года Далибар подтвердил, что теория Франклина верна.
Около июня 1752 года Франклин, как сообщается, провел свой знаменитый эксперимент с воздушным змеем. Эксперимент с воздушным змеем повторили Ромас, который извлекал из металлической нити искры длиной 9 футов (2,7 м), и Кавалло , который сделал много важных наблюдений за атмосферным электричеством. Лемонье (1752) также воспроизвел эксперимент Франклина с антенной, но заменил заземляющий провод некоторыми частицами пыли (проверяя притяжение). Он продолжил документировать состояние ясной погоды , электризацию атмосферы в ясный день и ее суточные колебания. Беккариа (1775) подтвердил данные Лемонье о суточных колебаниях и определил, что полярность заряда атмосферы была положительной в ясную погоду. Соссюр (1779) записал данные, относящиеся к индуцированному заряду проводника в атмосфере. Прибор Соссюра (который содержал две небольшие сферы, подвешенные параллельно с двумя тонкими проводами) был предшественником электрометра . Соссюр обнаружил, что электризация атмосферы при ясной погоде имеет годовые колебания, а также меняется с высотой. В 1785 году Кулон открыл электропроводность воздуха. Его открытие противоречило господствовавшему в то время мнению, что атмосферные газы являются изоляторами (которыми они в некоторой степени и являются, или, по крайней мере, не очень хорошими проводниками, когда не ионизированы ). Эрман (1804) предположил, что Земля заряжена отрицательно, а Пельтье (1842) проверил и подтвердил идею Эрмана.
Несколько исследователей внесли свой вклад в растущий объем знаний об атмосферных электрических явлениях. Фрэнсис Рональдс начал наблюдать за потенциальным градиентом и токами воздух-земля около 1810 года, в том числе делая непрерывные автоматизированные записи . [7] Он возобновил свои исследования в 1840-х годах в качестве первого почетного директора обсерватории Кью , где был создан первый расширенный и всеобъемлющий набор данных об электрических и связанных с ними метеорологических параметрах. Он также поставлял свое оборудование другим учреждениям по всему миру с целью описания атмосферного электричества в глобальном масштабе. [8] Новый капельный коллектор Кельвина и электрометр с разделенным кольцом [9] были представлены в обсерватории Кью в 1860-х годах, и атмосферное электричество оставалось специализацией обсерватории до ее закрытия. Для высотных измерений когда-то использовались воздушные змеи , а метеозонды или аэростаты до сих пор используются для подъема экспериментального оборудования в воздух. Ранние экспериментаторы даже сами поднимались в воздух на воздушных шарах .
Хофферт (1888) идентифицировал отдельные нисходящие удары молнии с помощью ранних камер. [10] Элстер и Гейтель , которые также работали над термоионной эмиссией , предложили теорию для объяснения электрической структуры гроз (1885) и, позднее, открыли радиоактивность атмосферы (1899) из-за существования положительных и отрицательных ионов в атмосфере. [11] Поккельс (1897) оценил интенсивность тока молнии , проанализировав вспышки молнии в базальте (ок. 1900) [12] и изучив остаточные магнитные поля, вызванные молнией. [13] Открытия об электрификации атмосферы с помощью чувствительных электрических приборов и идеи о том, как поддерживается отрицательный заряд Земли, были разработаны в основном в 20 веке, при этом важную роль сыграл К. Т. Р. Уилсон . [14] [15] Текущие исследования атмосферного электричества сосредоточены в основном на молниях, особенно на частицах высокой энергии и кратковременных световых событиях, а также на роли негрозовых электрических процессов в погоде и климате.
Атмосферное электричество присутствует всегда, и в хорошую погоду вдали от гроз воздух над поверхностью Земли заряжен положительно, в то время как заряд поверхности Земли отрицателен. Это можно понять с точки зрения разности потенциалов между точкой поверхности Земли и точкой где-то в воздухе над ней. Поскольку атмосферное электрическое поле отрицательно направлено в хорошую погоду, принято ссылаться на градиент потенциала, который имеет противоположный знак и составляет около 100 В/м на поверхности, вдали от гроз. [6] Существует слабый ток проводимости атмосферных ионов, движущихся в атмосферном электрическом поле, около 2 пикоампер на квадратный метр, и воздух слабопроводящий из-за присутствия этих атмосферных ионов.
Глобальные суточные циклы в атмосферном электрическом поле с минимумом около 03 UT и пиком примерно через 16 часов были исследованы Институтом Карнеги в Вашингтоне в 20 веке. Эта вариация кривой Карнеги [16] была описана как «фундаментальное электрическое сердцебиение планеты». [17]
Даже вдали от гроз атмосферное электричество может быть весьма изменчивым, но, как правило, в туманах и пыли электрическое поле усиливается, тогда как электропроводность атмосферы снижается.
Градиент атмосферного потенциала приводит к потоку ионов из положительно заряженной атмосферы к отрицательно заряженной поверхности земли. Над ровным полем в день с ясным небом градиент атмосферного потенциала составляет приблизительно 120 В/м. [18] Объекты, выступающие из этих полей, например, цветы и деревья, могут увеличивать напряженность электрического поля до нескольких киловольт на метр. [19] Эти приповерхностные электростатические силы обнаруживаются организмами, такими как шмель, чтобы перемещаться к цветам [19] и паук, чтобы инициировать рассеивание путем раздувания . [18] [20] Также считается, что градиент атмосферного потенциала влияет на подповерхностную электрохимию и микробные процессы. [21]
С другой стороны, роящиеся насекомые [22] и птицы [23] могут быть источником биогенного заряда в атмосфере, вероятно, внося вклад в источник электрической изменчивости в атмосфере.
Слой электросферы (от десятков километров над поверхностью Земли до ионосферы) имеет высокую электропроводность и по существу находится под постоянным электрическим потенциалом. Ионосфера является внутренним краем магнитосферы и является частью атмосферы, которая ионизируется солнечным излучением. ( Фотоионизация - это физический процесс, при котором фотон падает на атом, ион или молекулу, что приводит к выбросу одного или нескольких электронов.) [24]
Земля и почти все живые существа на ней постоянно бомбардируются радиацией из внешнего космоса. Эта радиация в основном состоит из положительно заряженных ионов от протонов до железа и более крупных ядер, полученных из источников за пределами Солнечной системы . Это излучение взаимодействует с атомами в атмосфере, создавая воздушный ливень вторичной ионизирующей радиации, включая рентгеновские лучи , мюоны , протоны , альфа-частицы , пионы и электроны . Ионизация от этого вторичного излучения гарантирует, что атмосфера является слабопроводящей, а небольшой ток от этих ионов над поверхностью Земли уравновешивает ток от гроз. [4] Ионы имеют характерные параметры, такие как подвижность , время жизни и скорость генерации, которые меняются с высотой .
Разность потенциалов между ионосферой и Землей поддерживается грозами , а удары молний переносят отрицательные заряды из атмосферы на землю.
Столкновения льда и мягкого града (крупы) внутри кучево-дождевых облаков вызывают разделение положительных и отрицательных зарядов внутри облака, что необходимо для образования молнии. То, как изначально образуется молния, все еще является предметом споров: ученые изучили основные причины, начиная от атмосферных возмущений (ветер, влажность и атмосферное давление ) и заканчивая воздействием солнечного ветра и энергичных частиц.
Средний разряд молнии переносит отрицательный электрический ток в 40 килоампер (кА) (хотя некоторые разряды могут достигать 120 кА) и переносит заряд в пять кулонов и энергию в 500 МДж , или достаточно энергии, чтобы питать 100-ваттную лампочку в течение чуть менее двух месяцев. Напряжение зависит от длины разряда, при этом диэлектрический пробой воздуха составляет три миллиона вольт на метр, а молнии часто имеют длину в несколько сотен метров. Однако развитие лидера молнии — это не просто вопрос диэлектрического пробоя, и окружающие электрические поля, необходимые для распространения лидера молнии, могут быть на несколько порядков меньше, чем прочность диэлектрика. Кроме того, градиент потенциала внутри хорошо развитого канала обратного удара составляет порядка сотен вольт на метр или меньше из-за интенсивной ионизации канала, что приводит к истинной выходной мощности порядка мегаватт на метр для сильного тока обратного удара в 100 кА. [12]
Если количество воды, которая конденсируется в облаке и затем выпадает из него, известно, то можно рассчитать общую энергию грозы. В средней грозе высвобождается около 10 000 000 киловатт-часов (3,6 × 1013 джоулей ), что эквивалентно 20-килотонной ядерной боеголовке . Большая, сильная гроза может быть в 10–100 раз более энергичной.
Огни Святого Эльма — это электрическое явление, при котором светящаяся плазма создается корональным разрядом , исходящим от заземленного объекта . Шаровую молнию часто ошибочно принимают за огни Святого Эльма, хотя это отдельные и различные явления. [26] Хотя огни Святого Эльма и называются «огнем», на самом деле это плазма , и они наблюдаются, как правило, во время грозы на верхушках деревьев, шпилях или других высоких объектах или на головах животных в виде щетки или звезды света.
Корона вызывается электрическим полем вокруг рассматриваемого объекта, которое ионизирует молекулы воздуха, создавая слабое свечение, легко видимое в условиях низкой освещенности. Для возникновения огней Святого Эльма требуется приблизительно 1000–30 000 вольт на сантиметр; однако это зависит от геометрии рассматриваемого объекта. Острые концы, как правило, требуют более низких уровней напряжения для получения того же результата, поскольку электрические поля более сконцентрированы в областях с высокой кривизной, поэтому разряды более интенсивны на конце заостренных объектов. Огни Святого Эльма и обычные искры могут появляться, когда высокое электрическое напряжение воздействует на газ. Огни Святого Эльма видны во время грозы, когда земля под грозой электрически заряжена, а в воздухе между облаком и землей имеется высокое напряжение. Напряжение разрывает молекулы воздуха, и газ начинает светиться. Азот и кислород в атмосфере Земли заставляют огни Святого Эльма флуоресцировать синим или фиолетовым светом; это похоже на механизм, который заставляет светиться неоновые вывески.
Резонансы Шумана представляют собой набор спектральных пиков в крайне низкочастотной (ELF) части спектра электромагнитного поля Земли. Резонанс Шумана обусловлен пространством между поверхностью Земли и проводящей ионосферой, действующим как волновод . Ограниченные размеры Земли заставляют этот волновод действовать как резонансная полость для электромагнитных волн. Полость естественным образом возбуждается энергией от ударов молнии. [27]
Атмосферные заряды могут вызывать нежелательное, опасное и потенциально смертельное накопление потенциала заряда в подвесных электрических проводных системах распределения электроэнергии. Оголенные провода, подвешенные в воздухе на многие километры и изолированные от земли, могут собирать очень большие накопленные заряды под высоким напряжением, даже когда нет грозы или молнии. Этот заряд будет стремиться разрядиться по пути наименьшей изоляции, что может произойти, когда человек тянется, чтобы активировать выключатель питания или использовать электрическое устройство.
Для рассеивания накопления атмосферного заряда одна сторона системы распределения электроэнергии подключается к земле во многих точках по всей системе распределения, так часто, как на каждом опорном столбе . Один заземленный провод обычно называют «защитным заземлением», он обеспечивает путь для рассеивания потенциала заряда без повреждения и обеспечивает избыточность в случае, если какой-либо из путей заземления плох из-за коррозии или плохой проводимости земли. Дополнительный электрический заземляющий провод, который не несет питания, играет второстепенную роль, обеспечивая путь короткого замыкания с высоким током для быстрого перегорания предохранителей и обеспечения безопасности поврежденного устройства, вместо того, чтобы незаземленное устройство с поврежденной изоляцией становилось «электрически живым» через сетевое питание и было опасным для прикосновения.
Каждый трансформатор в распределительной сети переменного тока сегментирует систему заземления в новый отдельный контур цепи. Эти отдельные сети также должны быть заземлены с одной стороны, чтобы предотвратить накопление заряда внутри них относительно остальной части системы, и что может вызвать повреждение от разряда потенциалов заряда через катушки трансформатора на другую заземленную сторону распределительной сети.
