Электричество в атмосфере

Российская Академия Правосудия. ФНО

Факультет Земельно-имущественных отношений

Доклад по естествознанию

Тема «Майкл Фарадей. Биография»

Руководитель: Костюк Светлана Ивановна

Выполнила студентка 1 курса

Группы 11з

Виненко Дарья

30.10.2011

Электричество в атмосфере

Электрическое поле атмосферы

В обычный день над пустынной равниной или над морем электрический потенциал по мере подъёма возрастает с каждым метром на100 В, т.е. в воздухе имеется вертикально электрическое поле Е= 100 В/ м. Земная поверхность заряжена отрицательно. Это не означает, что между ногами головой человека разность потенциалов более 100 В: тело– довольно хороший проводник. Человек, стоящий на земле, образует с ней эквипотенциальную поверхность, так как заряды с земли переходят на его голову. Поле вблизи земли, обычно параллельно ей(Рис.1,а), искажается и выглядит так, как показано на рис.1,б.

Рис.1. Распределение потенциала.

Электрическое поле медленно ослабевает с высотой. На высоте 50 км оно уже еле заметно. Вся разность потенциалов между поверхностью земли и верхом атмосферы равна почти 400 тысяч вольт. В этом поле к земле всё время течёт слабый электрический ток: через каждый квадратный метр параллельной земле поверхности проходит около 10-6

мкА. Значит, атмосфера обладает проводимостью, которая создаётся ионами. Каково их происхождение?

[1]Воздух ионизируется космическими лучами– заряженными частицами высоких энергий. Они испускаются Солнцем и представляют собой ядра атомов, в основном протоны, и электроны. Это–первичные космические лучи. Они находятся за пределами земной атмосферы. Энергия их огромна: на каждую частицу в среднем приходится 108… 1013 эВ(для сравнения– средняя тепловая энергия молекул газа при комнатной температуре кТ имеет величину порядка10-2 эВ). Врываясь в атмосферу Земли, первичные лучи сталкивают с атомами азота и кислорода воздуха, отдают им свою

энергию, срывая с них электронные оболочки. Возникают электронно-ядерные ливни, ядра расщепляются до отдельных нуклонов. Это– вторичные космические лучи. Образуются широкие атмосферные ливни. Поперечные размеры ливня более 1 км2; при энергиях первичных частиц свыше1013э В ливень может содержать многие миллионы частиц, в основном электроны и позитроны.

Космические лучи постоянно снабжают воздух ионами(«малые ионы»), которые окружаются

Другими ионами, образуя заряженные «комочки», медленно движущиеся в электрическом поле Земли- так создаётся ток. Ионы могут образовываться и не только из молекул. Заряжаются частички

пыли, попадающие в воздух с земли. Их называют «ядрами». Мелкие брызги морской воды испаряются, оставляя кристаллики NaCl. И они могут заряжаться, образуя «большие ионы». Малые ионы проносятсяввоздухесоскоростью1 см/свполе100 В/м. Большие ионы и ядра движутся гораздо медленнее.

Проводимость воздуха изменчива. Она очень чувствует его засорённость. С высотой она увеличивается по двум причинам: во-первых, с высотой растёт ионизация воздуха космическими лучами;

во-вторых, уменьшается плотность воздуха, увеличивается длина свободного пробега ионов в поле. Весь электрический ток, достигающий земной поверхности, равен примерно1800 А. Он переносит к Земле положительные заряды. Мощность этого тока(т.е. энергия, переносимая за секунду) составляет при напряжении 400 кВ огромную величину– 700 миллионов ватт(700 мегаватт). При таком токе отрицательный заряд земной поверхности должен бы очень быстро компенсироваться. По-

надобилось бы около получаса, чтобы разрядить всю Землю. Однако этого не происходит. Почему?

И ещё вопрос– поверхность Земли заряжена отрицательно, а что заряжено положительно? Между чем создаётся напряжение 400 кВ?

На высоте около50 км над землёй проводимость воздуха так велика, что там существует практически проводящая сфера, из которой вытекают вниз токи(это ещё не ионосфера- верхняя часть атмосферы, сильноионизованная под влиянием ультрафиолетового, рентгеновского и корпускулярного излучения Солнца[2]).Ток атмосферы меняется в течение суток примерно на ± 15 % и достигает

Максимального значения в 19.00 часов по лондонскому времени одновременно на всей Земле. Минимальное его значение– в 4.00 часа потому же времени и тоже везде. Любые изменения потенциала и должны быть всемирными, если Земля окружена проводящей сферой. Отрицательный заряд земной поверхности поддерживается молниями. Они заряжают Землю током в1800 А электричества(ток– это заряд, протекающий в единицу времени), которое затем разряжается в районах с хорошей погодой. На Земле каждые сутки гремит около 300 гроз. Оценка того, сколько молний ежесекундно бьёт в Землю, показала, что максимум грозовой деятельности приходится на 19.00 часов по лондонскому времени. Что же такое гроза?

Гроза

В атмосфере Земли при подходящих условиях постоянно образуются грозовые ячейки – область

атмосферы, в которой происходят все основные грозовые процессы. Обычно возникает несколько ячеек одна возле другой, и в каждой из них происходит одно и тоже. На рис.2 очень упрощённо по-

казана ячейка в начале грозы.

Приопределённыхусловияхвнекоторойобластиатмосферывозникаетвосходящийпотоквозду-

ха, убыстряющийся по мере подъёма. Тёплый и влажный воздух снизу поднимается, остывает и конденсирует влагу. На рисунке крестиками обозначен снег, а точками– дождь. Восходящий поток довольно велик, а капельки очень малы, поэтому ни снег, ни дождь не выпадают. По мере того, как тёплый воздух поднимается вверх, в ячейку прибывает воздух со всех сторон. Он прохладнее: Солнце нагревает почву, а водяной пар в верхних слоях атмосферы излучает тепло

вверх, поэтому с высотой температура воздуха уменьшается. Значит, поднимается не только тот воздух, который был внизу, но и какое-то количество воздуха с разных сторон.

Теперь уже грозовая ячейка(туча) выглядит иначе- рис.3. Это– зрелая ячейка. В ней действует

Очень сильная тяга вверх, достигающаянаэтойстадиивысотв10…15 км, а иногда и выше.

Грозовой купол с происходящей в ней конденсацией громоздится над всей облачной грядой с быстротой, достигающей обычно 60 км/час.

По мере того, как водяной пар поднимается и конденсируется, возникают маленькие капельки, которые быстро охлаждаются до температуры ниже нуля по Цельсию. Они переохлаждаются. Обычно вокруг есть центры кристаллизации– наподобие кристалликов NaCl или пылинок. Капельки превращаются в кристаллы льда. Начинается быстрое образование и накопление крупных частиц льда. Когда они становятся достаточно тяжёлыми, они начинают падать сквозь восходящий воздух. Падая, они увлекают немного воздуха. Начинается противоток воздуха- вниз. Если он начался, он

Уже не может прекратиться. Воздух полным ходом мчится вниз. Когда он доходит до нижней части ячейки, начинается дождь. Кроме того, достигнув земной поверхности, относительно холодный воздух растекается во все стороны. Поэтому перед самой грозой начинает дуть холодный ветер, предвещающий бурю. В то мгновение, когда начинается дождь, возникает противоток воздуха. В тот же момент возникают электрические явления.

Через полчаса- час грозовая ячейка становится такой, как показано на рис.4. Тяга вверх прекратилась – больше нет тёплого воздуха, и поддерживать её нечем. Какое-то время ещё идёт дождь, всё становится спокойнее. На больших высотах ветры дуют в разные стороны, поэтому верх грозовой тучи обычно принимает вид наковальни.

Молния

Качественно можно описать молнию следующим образом. Как показали фотоснимки, молния–это обычно повторные электрические разряды по одному и тому же пути.

Потенциал нижней части тучи, висящей над равниной, гораздо более отрицателен, чем земная поверхность под ней. Отрицательный заряд(электроны) устремляются к Земле. Всё начинается со светящегося комка– «ступенчатого лидера». Он не такой яркий, как вспышка молнии. На снимках

Можно видеть в начале небольшое светлое пятнышко, выходящее из тучи и очень быстрокатящееся вниз соскоростью1/ 6 скорости света. Оно проходит всего около 50 м и останавливается. Следует пауза около 50 мкс, а затем происходит следующий шаг. Снова остановка, а после новый шаг и т.д.Так, шаг за шагом, пятно движется к Земле по пути, показанному на рис. 6.

Лидер наполнен отрицательным зарядом. Воздух ионизуется быстродвижущимися зарядам и лидерами становится проводящим вдоль его пути. В момент, когда лидер коснётся поверхности земли, получается как бы проводящая проволока, которая тянется до самой тучи и полна отрицательного

электричества. Теперь отрицательные заряды из тучи мчатся на землю: сначала соскакивают электроны нижней части лидера, оставляя позади себя положительный заряд. Он притягивает электроны из более верхнего участка лидера, они тоже падают на землю и т.д. В конце концов весь отрицательный заряд этой части тучи быстро и энергично сбегает по этому каналу вниз. Так что видимая

нами молния (как будто движение положительного заряда) бьёт от земли вверх (Рис. 7). Это и есть основной разряд– обратная вспышка. Она вызывает яркое свечение и выделение тепла, которое,

приводят к быстрому расширению воздуха, производит громовой удар.

1. Р.Фейнман, Р.Лейтон, М.Сэндс. Фейнмановские лекции по физике.т.5, МИР, М.,1977

2.Б.М.Яворский, А.А.Детлаф. Справочник по физике. М.,Наука, 1968