Кіріспе

Планета атмосфераларындағы электр энергиясы

Атмосфералық электр энергиясы – Жер атмосферасындағы (немесе басқа планетаның) электр зарядтарын сипаттайды. Жер беті мен атмосфера, және ионосфера арасындағы зарядтың қозғалысы ғаламдық атмосфералық электр контуры деп аталады. Атмосфералық электр энергиясы – электростатика, атмосфералық физика, метеорология және Жер ғылымы салаларынан тұжырымдамаларды қамтитын, ұзақ тарихы бар пәнаралық тақырып. Күн күркірі атмосферадағы алып батарея рөлін атқарады, атмосфераны жер бетіне қатысты шамамен 400 000 вольтқа дейін зарядтайды. Бұл атмосферада электр өрісін құрайды, ол биіктік артқан сайын азаяды. Космостық сәулелер мен табиғи радиоактивтіліктің әсерінен пайда болатын атмосфералық иондар электр өрісінде қозғалады, сондықтан атмосфера арқылы, тіпті найзағайдан алыс жерлерде де өте шағын ток өтеді. Жер бетіне жақын жерде өрістің күші орташа есеппен 100 В/м-ге жетеді, және ол оң зарядтарды төмен қарай итеруге бағытталған. Атмосфералық электр энергиясы найзағайларды қамтиды, олар дауылды бұлттарда жиналған атмосфералық зарядтың үлкен көлемін жылдам босату үшін пайда болады, сонымен қатар ғарыштық сәулелер мен табиғи радиоактивтіліктің иондау әсерінен ауаның үнемі электрленуін қамтамасыз етеді, бұл атмосфераның толығымен бейтарап болуына жол бермейді.

Тарих

Электр машиналарын және Лейден банкаларын пайдаланып алынған ұшқындар алғашқы тәжірибешілер Хауксби, Ньютон, Уолл, Ноле және Грейге найзағайдың электр разрядынан туындайтынын ұсынды. 1708 жылы доктор Уильям Уолл зарядталған янтарьдан шыққан ұшқындарды байқағаннан кейін, ұшқындардың кішкентай найзағайға ұқсайтынын бірінші болып көрсете білді. Бенджамин Франклиннің тәжірибелері атмосферадағы электр құбылыстарының зертханадағылардан түбегейлі айырмашылығы жоқ екенін көрсетті, электр қуаты мен найзағай арасындағы көптеген ұқсастықтарды атап өтті. 1749 жылы Франклин найзағайдың электр машиналарын көрсететін барлық қасиеттерге ие екенін байқады. 1750 жылдың шілдесінде Франклин электр энергиясын биік металл антенна арқылы, өткір ұшы бар антенна арқылы бұлттардан алуға болатынын болжады. Франклин тәжірибесін жүзеге асыруға үлкермес бұрын, 1752 жылы Томас Франсуа Далибард Париждің жанындағы Марли-ла-Виллде 12 метрлік темір таяқты орнатып, өтетін бұлттан ұшқындарды тартып алды. Жерге оқшауланған антенналармен тәжірибеші оқшауланған шашты тұтқасы бар сымды антеннаға жақын әкеліп, антеннадан жерге ұшқынның түсуін байқауға болады. 1752 жылдың мамырында Далибард Франклиннің теориясының дұрыс екенін растады. 1752 жылдың маусымында Франклин өзінің әйгілі желкен тәжірибесін жүргізді. Бұл тәжірибені металл жіптен 3 метрлік ұзындықтағы ұшқындарды тартып алған Ромас және атмосфералық электр энергиясы бойынша маңызды байқаулар жасаған Кавалло қайталады. Лемониер (1752) Франклиннің тәжірибесін антеннамен қайталады, бірақ жер сымын шаң бөлшектерімен ауыстырды (тартуды сынау үшін). Ол қолайлы ауа райының жағдайын, атмосфераның күндізгі электрленуін және күндізгі өзгерісін жазды. Бекария (1775) Лемониердің күндізгі өзгеріс деректерін растады және атмосфераның зарядтық полярлығы қолайлы ауа райында оң екенін анықтады. Соссюр (1779) өткізгіштің атмосферадағы индукциялық зарядына қатысты деректерді жазды. Сауссурдің құралы (екі жұқа сыммен қатар ілінген екі кішкентай шардан тұрады) электрометрдің алға құрылысы болды. Сауссур атмосфералық электрленудің жылдық өзгеретінін және биіктікке байланысты өзгеретінін анықтады. 1785 жылы Кулон ауаның электр өткізгіштігін анықтады. Оның бұл ашылуы атмосфералық газдар оқшаулағыш деген кең таралған пікірге қайшы келді (бірақ олар белгілі бір дәрежеде, немесе иондалмаған кезде өте жақсы өткізгіш емес). Ерман (1804) Жердің теріс зарядталғандығын теориялық тұрғыда қарастырды, ал Пелтье (1842) Ерманның идеясын сынап, растады. Атмосфералық электр құбылыстары туралы білімнің артуына бірнеше зерттеушілер үлес қосты. Франсис Рональдс 1810 жыл шамасында әлеует градиентін және ауа-жер тогын байқауды бастады, соның ішінде үздіксіз автоматтандырылған жазбалар жасады. Ол 1840 жылдары Кью обсерваториясының құрметті директоры ретінде зерттеулерін қайта бастады, онда электрлік және байланысты метеорологиялық параметрлердің алғашқы кеңейтілген және жан-жақты деректер жиынтығы құрылды. Сондай-ақ, ол өз жабдықтарын әлемнің басқа да нысандарына жеткізді, атмосфералық электр энергиясын жаһандық масштабта анықтау мақсатымен. Келвиннің жаңа су тамшысын жинаушы және бөлінген сақиналы электрометр 1860 жылдары Кью обсерваториясында енгізілді, ал атмосфералық электр энергиясы жабылғанға дейін обсерваторияның ерекшелігі болып қала берді. Биіктікті өлшеу үшін бір кездері желкендер пайдаланылды, ал қазір әлі де ауа райы шарлары немесе аэростаттар тәжірибелік жабдықтарды ауаға көтеру үшін қолданылады. Алғашқы тәжірибешілер тіпті ыстық ауа шарларында өзі ұшып жүрді. Хофферт (1888) алғашқы камераларды қолдана отырып, төмен қарай түсетін жеке найзағай соққыларын анықтады. Термиондық эмиссия бойынша жұмыс істеген Элстер мен Гайтель найзағайдың электрлік құрылымын түсіндіру теориясын ұсынды (1885), кейіннен атмосферадағы оң және теріс иондардың болуын анықтады, соның нәтижесінде атмосфералық радиоактивтілікті (1899) тапты. Покельс (1897) найзағай тогының қарқындылығын базальттағы найзағай жарқылдарын талдау арқылы (шамамен 1900 ж.) және найзағайдың салдарынан пайда болған магнит өрістерін зерттеу арқылы бағалады. Атмосфераның электрленуі туралы жаңа ашылулар сезімтал электр аспаптары арқылы және Жердің теріс заряды қалай сақталады деген идеялар негізінен ХХ ғасырда жасалды, оның ішінде КТР Уилсон маңызды рөл атқарды. Атмосфералық электр энергиясы бойынша қазіргі зерттеулер негізінен найзағайға, әсіресе жоғары энергиялы бөлшектерге және өтпелі люминесценттік құбылыстарға, сондай-ақ найзағайсыз электр процестерінің ауа райы мен климатқа тигізетін әсеріне бағытталған.

Сипаттама

Атмосфералық электр энергиясы үнемі болады, ал жақсы ауа-райы кезінде, найзағайлардан алыс, Жер бетіндегі ауа оң зарядталған, ал Жер бетінің заряды теріс болады. Бұл Жер бетіндегі бір нүкте мен оның үстіндегі ауадағы бір нүкте арасындағы потенциалдың айырмашылығы арқылы түсіндіріледі. Жағымды ауа-райында атмосфералық электр өрісі теріс бағытталғандықтан, кері белгісі бар және найзағайлардан алыс жерде шамамен 100 В/м болатын потенциал градиентіне сілтеме жасау қабылданған. Бұл өзгеріс "планетаның негізгі электрлік соғысы" деп сипатталған. Найзағайлардан алыс болса да, атмосфералық электр энергиясы өте өзгермелі болуы мүмкін, бірақ, әдетте, электр өрісі тұман мен шаң кезінде күшейеді, ал атмосфералық электр өткізгіштігі азаяды.

Биологиямен байланысы

Атмосфералық потенциалдық градиент иондардың оң зарядталған атмосферадан теріс зарядталған жер бетіне ағылуына себеп болады. Ашық аспан күніндегі жазық далада атмосфералық потенциал градиенті шамамен 120 В/м-ге тең. Гүлдер мен ағаштар сияқты осы өрістерден көтеріңкі шығатын нысандар электр өрісінің күшін метрге бірнеше киловольтқа дейін арттыра алады. Бұл жер бетіне жақын электростатикалық күштерді шұңғыр арасы сияқты организмдер гүлдерге бағытталғанда сезеді. Атмосфералық потенциалдық градиент сондай-ақ жер асты электрохимиясы мен микробиологиялық процестерге де әсер ететіні айтылады. Екінші жағынан, жәндіктер мен құстардың топтасуы атмосферадағы биогендік зарядтың көзі болуы мүмкін, бұл атмосферадағы электрлік өзгергіштіктің көзіне үлес қосады.

Ғарышқа жақын

Электросфера қабаты (жер бетінен ондаған шақырым биіктіктен ионосфераға дейін) жоғары электр өткізгіштігіне ие және негізінен тұрақты электр потенциалында болады. Ионосфера – магнитосфераның ішкі жиегі және күн сәулесінің әсерінен иондалған атмосфераның бөлігі. (Фотоионизация – фотонның атомға, ионға немесе молекулаға түсуі нәтижесінде бір немесе бірнеше электроның шығарылуы процесі.)

Космикалық сәулелену

Жер және оның үстіндегі тіршілік иелерінің көбі ғарыштан келетін радиацияға үздіксіз ұшырайды. Бұл радиация негізінен Күн жүйесінен тыс көздерден шыққан протоннан темірге және одан да ірі ядролы оң зарядталған иондардан тұрады. Бұл радиация атмосферадағы атомдармен әрекеттесіп, рентген сәулелері, мюондар, протондар, альфа бөлшектері, пиондар және электрондар сияқты екіншілік иондаушы сәулеленудің ауа душын құрайды. Осы екіншілік сәулеленудің иондануы атмосфераның әлсіз өткізгіштік қасиетін қамтамасыз етеді, ал осы иондардың Жер бетімен ағыны, найзағайлардан туындайтын ағынмен тепе-теңдік құрады. Сент-Эльмо оты – жерге қосылған дененің короналық разрядынан пайда болатын жарқыраған плазма құбылысы. Шарық найзағай көбінесе жаңылыс түрде Сент-Эльмо оты деп қабылданады, бірақ олар екі бөлек және әр түрлі құбылыс. "От" деп аталғанымен, Сент-Эльмо оты – шын мәнінде плазма, және әдетте найзағай кезінде ағаштардың, мұнаралардың немесе басқа биік нысандардың жоғарғы бөлігінде, немесе жануарлардың басында, жарық шоғы немесе жұлдызы түрінде байқалады. Коронаның пайда болуына нысанның айналасындағы электр өрісінің ауа молекулаларын иондауы себеп болады, бұл әлсіз жарқырауға алып келеді, ол жарық аз жағдайда оңай көрінеді. Сент-Эльмо отын тудыру үшін шамамен 1000–30 000 вольтқа дейін кернеу қажет; алайда, бұл нысанның геометриясына байланысты. Ұшқыр нүктелер бірдей нәтижеге қол жеткізу үшін төменгі кернеу деңгейін қажет етеді, себебі электр өрістері жоғары қисықтықта шоғырланған, сондықтан разрядтар ұшқыш нысандардың ұштарында күшейеді. Сент-Эльмо оты мен қалыпты ұшқындар жоғары электр кернеуі газға әсер еткенде пайда болуы мүмкін. Сент-Эльмо оты найзағай кезінде, дауыл астындағы жер электрленгенде және бұлт пен жер арасындағы ауада жоғары кернеу болғанда көрінеді. Кернеу ауа молекулаларын бөліп, газды жарқыратады. Жер атмосферасындағы азот пен оттегі Сент-Эльмо отын көк немесе күлгін түспен флуоресценцияға ие етеді; бұл неон шамдарының жарқырауына себеп болатын механизмге ұқсас.

Жер-ионосфера қуысы

Шуман резонанстары – Жердің электромагниттік өрісі спектрінің өте төмен жиілікті (ELF) бөлігіндегі спектрлік шыңдар жиынтығы. Шуман резонансы Жердің беті мен өткізгіш ионосфера арасындағы кеңістіктің толқын жетекші ретінде жұмыс істеуіне байланысты туындайды. Жердің шектеулі өлшемдері осы толқын жетекшісін электромагниттік толқындар үшін резонанстық қуысқа айналдырады. Бұл қуыс найзағай оқиғаларынан түсетін энергиямен табиғи түрде қозғалады.

Электр жүйесін жерге қосу

Атмосфералық зарядтар электр сымдарының электр тарату жүйелерінде қажетсіз, қауіпті және тіпті өлімге әкелуі мүмкін зарядтық потенциалдың жиналуына себеп болуы мүмкін. Шақырымдармен созылған және жерден оқшауланған ауадағы сымдар, тіпті найзағай мен молния болмаған кезде де, жоғары кернеуде өте үлкен зарядты жинақтауы мүмкін. Бұл заряд ең аз кедергісі бар жолмен босатылуға тырысады, мысалы, адам қуатты қосуға немесе электр құрылын пайдалануға қол созғанда. Атмосфералық зарядтың жиналуын азайту үшін электр тарату жүйесінің бір жағы көптеген нүктелерде, көбінесе әр тірек бағанасында жерге қосылады. Жерге қосылған сым әдетте "қорғаушы жер" деп аталады және зарядтық потенциалдың зақым келтірмей таралуына мүмкіндік береді, сондай-ақ, коррозия немесе жердің нашар өткізгіштігі салдарынан жерге қосу жолдарының бірі нашар болған жағдайда, қосымша сенімділікті қамтамасыз етеді. Қосымша электр желісі қуат тасымайды, ол қосалқы рөл атқарады, жоғары токпен қысқа тұйықталу жолын қамтамасыз етеді, сақтандырғыштарды тез арада істен шығарып, зақымдалған құрылғыны қауіпсіз етеді, ал нашар оқшауланған зақымдалған құрылғы желілік қуат көзі арқылы "қуаттандырылып", тигілуге қауіпті болып қалмас үшін. Айнымалы ток тарату желісіндегі әрбір трансформатор жерге қосу жүйесін жаңа, жеке контурға бөледі. Бұл жеке желілер де бір жағынан жерге қосылуы керек, олардың ішінде заряд жиналуын болдырмау үшін, себебі бұл зарядтық потенциалдар трансформатор орамдары арқылы тарату желісінің екінші жерге қосылған жағына өтіп, зақымдануға әкелуі мүмкін.

Басқа оқу

Ричард Э. Орвилл (ред.), "Атмосфералық және ғарыш электр энергиясы". ("Editor's Choice" виртуалды журналы) – "Америкалық геофизикалық одақ". (AGU) Вашингтон, DC 20009 1277 АҚШ.
Шонланд, Б. Ф. Дж., "Атмосфералық электр энергиясы". Methuen and Co., Ltd., Лондон, 1932.
Макгорман, Дональд Р., У. Дэвид Раст, Д. Р. Макгорман және У. Д. Раст, "Дауылдардың электрлік сипаты". Оксфорд университетінің баспасы, 1998 жылғы наурыз.
Волланд, Х., "Атмосфералық электродинамика", Springer, Берлин, 1984.