Электричество в атмосферах планет

Введение

Электричество в планетарной атмосфере

Атмосферное электричество описывает электрические заряды в атмосфере Земли (или другой планеты). Перемещение заряда между поверхностью Земли, атмосферой и ионосферой известно как глобальная атмосферная электрическая цепь. Атмосферное электричество – это междисциплинарная область с богатой историей, объединяющая концепции электростатики, атмосферной физики, метеорологии и наук о Земле. Грозы выступают в роли гигантского аккумулятора в атмосфере, заряжая электросферу до примерно 400 000 вольт относительно поверхности. Это создает электрическое поле во всей атмосфере, которое ослабевает с увеличением высоты. Атмосферные ионы, образующиеся под воздействием космических лучей и естественной радиоактивности, движутся в этом электрическом поле, поэтому даже вдали от гроз через атмосферу протекает очень слабый ток. Вблизи поверхности Земли величина поля в среднем составляет около 100 В/м и направлена таким образом, чтобы перемещать положительные заряды вниз. Атмосферное электричество включает в себя как грозы, генерирующие молнии для быстрого разряда огромного количества атмосферного заряда, накопленного в грозовых облаках, так и непрерывную электрификацию воздуха вследствие ионизации, вызванной космическими лучами и естественной радиоактивностью, что обеспечивает постоянную неравновесность электрических зарядов в атмосфере.

История

Искры, полученные от электрических машин и лейденских банок, навели ранних экспериментаторов – Хоуксби, Ньютона, Уолла, Нолле и Грея – на мысль, что молния вызвана электрическими разрядами. В 1708 году доктор Уильям Уолл одним из первых заметил, что искровые разряды напоминают миниатюрную молнию, наблюдая искры от заряженного куска янтаря. Эксперименты Бенджамина Франклина показали, что электрические явления в атмосфере не отличаются принципиально от тех, что воспроизводятся в лаборатории, путем сопоставления множества сходств между электричеством и молнией. К 1749 году Франклин установил, что молния обладает почти всеми свойствами, наблюдаемыми в электрических машинах. В июле 1750 года Франклин выдвинул гипотезу о возможности извлечения электричества из облаков с помощью высокой металлической антенны с заостренным концом. До того, как Франклину удалось провести свой эксперимент, в 1752 году Томас Франсуа Далибар установил железный стержень длиной 12 метров в Марли-ла-Вилль, близ Парижа, и получил искры от проходящего облака. Используя заземленные антенны, экспериментатор мог подносить заземленный проводник с изолированной восковой рукояткой к антенне и наблюдать искровой разряд от антенны к заземляющему проводу. В мае 1752 года Далибар подтвердил правильность теории Франклина. Около июня 1752 года Франклин, по сообщениям, провел свой знаменитый эксперимент с воздушным змеем. Эксперимент с воздушным змеем повторили Рома, который извлек из металлической нити искры длиной 3 метра, и Кавалло, который сделал множество важных наблюдений об электричестве в атмосфере. Лемонье (1752) также воспроизвел эксперимент Франклина с антенной, но заменил заземляющий провод частицами пыли (для проверки притяжения). Он продолжил документировать условия хорошей погоды, электризацию атмосферы в ясный день и ее суточные изменения. Бекария (1775) подтвердил данные Лемонье о суточных изменениях и установил, что полярность заряда атмосферы в хорошую погоду положительная. Соссюр (1779) зафиксировал данные, касающиеся индуцированного заряда проводника в атмосфере. Инструмент Соссюра (состоявший из двух небольших сфер, подвешенных параллельно двумя тонкими проводами) был предшественником электроскопа. Соссюр обнаружил, что электризация атмосферы в ясную погоду имеет годовые колебания, а также меняется с высотой. В 1785 году Кулон открыл электрическую проводимость воздуха. Это открытие противоречило распространенному тогда мнению о том, что атмосферные газы являются изоляторами (хотя они ими и являются в определенной степени, или, по крайней мере, не очень хорошими проводниками в неионизированном состоянии). Эрман (1804) предположил, что Земля имеет отрицательный заряд, а Пельти (1842) проверил и подтвердил идею Эрмана. Многие исследователи внесли вклад в расширение знаний об атмосферных электрических явлениях. Фрэнсис Рональдс начал наблюдать градиент потенциала и токи воздух-земля примерно в 1810 году, включая создание непрерывных автоматических записей. В 1840-х годах он возобновил свои исследования в качестве почетного директора обсерватории Кью, где был создан первый обширный и всесторонний набор данных электрических и связанных с ними метеорологических параметров. Он также снабдил своим оборудованием другие учреждения по всему миру с целью определения атмосферного электричества в глобальном масштабе. Новый водокапельный коллектор Кельвина и разделенный кольцевой электроскоп были внедрены 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 в настоящее время для подъема экспериментального оборудования в воздух используются метеорологические шары или аэростаты. Ранние экспериментаторы даже поднимались в воздух на воздушных шарах. Хофферт (1888) идентифицировал отдельные нисходящие удары молнии с помощью ранних камер. Элстер и Гейтель, которые также работали над термоэлектронной эмиссией, предложили теорию, объясняющую электрическую структуру гроз (1885), а позже обнаружили атмосферную радиоактивность (1899), связанную с наличием положительных и отрицательных ионов в атмосфере. Покельс (1897) оценил интенсивность тока молнии, анализируя вспышки молнии в базальте (около 1900 года) и изучая оставшиеся магнитные поля, вызванные молнией. Открытия об электризации атмосферы с помощью чувствительных электрических приборов и представления о том, как поддерживается отрицательный заряд Земли, были в основном сделаны в 20-м веке, и важную роль в этом сыграл К.Т.Р. Уилсон. Современные исследования атмосферного электричества в основном сосредоточены на молниях, особенно на высокоэнергетических частицах и преходящих световых явлениях, а также на роли электрических процессов, не связанных с грозами, в погоде и климате.

Sparks drawn from electrical machines and from Leyden jars suggested to early experimenters Hauksbee, Newton, Wall, Nollet, and Gray that lightning was caused by electric discharges. In 1708, Dr. William Wall was one of the first to observe that spark discharges resembled miniature lightning, after observing the sparks from a charged piece of amber. Benjamin Franklin's experiments showed that electrical phenomena of the atmosphere were not fundamentally different from those produced in the laboratory, by listing many similarities between electricity and lightning. By 1749, Franklin observed lightning to possess almost all the properties observable in electrical machines. In July 1750, Franklin hypothesized that electricity could be taken from clouds via a tall metal aerial with a sharp point. Before Franklin could carry out his experiment, in 1752 Thomas François Dalibard erected a 40 feet (12 m) iron rod at Marly la Ville, near Paris, drawing sparks from a passing cloud. With ground insulated aerials, an experimenter could bring a grounded lead with an insulated wax handle close to the aerial, and observe a spark discharge from the aerial to the grounding wire. In May 1752, Dalibard affirmed that Franklin's theory was correct. Around June 1752, Franklin reportedly performed his famous kite experiment. The kite experiment was repeated by Romas, who drew from a metallic string sparks 9 feet (3 m) long, and by Cavallo, who made many important observations on atmospheric electricity. Lemonnier (1752) also reproduced Franklin's experiment with an aerial, but substituted the ground wire with some dust particles (testing attraction). He went on to document the fair weather condition, the clear day electrification of the atmosphere, and its diurnal variation. Beccaria (1775) confirmed Lemonnier's diurnal variation data and determined that the atmosphere's charge polarity was positive in fair weather. Saussure (1779) recorded data relating to a conductor's induced charge in the atmosphere. Saussure's instrument (which contained two small spheres suspended in parallel with two thin wires) was a precursor to the electrometer. Saussure found that the atmospheric electrification under clear weather conditions had an annual variation, and that it also varied with height. In 1785, Coulomb discovered the electrical conductivity of air. His discovery was contrary to the prevailing thought at the time, that the atmospheric gases were insulators (which they are to some extent, or at least not very good conductors when not ionized). Erman (1804) theorized that the Earth was negatively charged, and Peltier (1842) tested and confirmed Erman's idea. Several researchers contributed to the growing body of knowledge about atmospheric electrical phenomena. Francis Ronalds began observing the potential gradient and air earth currents around 1810, including making continuous automated recordings. He resumed his research in the 1840s as the inaugural Honorary Director of the Kew Observatory, where the first extended and comprehensive dataset of electrical and associated meteorological parameters was created. He also supplied his equipment to other facilities around the world with the goal of delineating atmospheric electricity on a global scale. Kelvin's new water dropper collector and divided ring electrometer were introduced at Kew Observatory in the 1860s, and atmospheric electricity remained a speciality of the observatory until its closure. For high altitude measurements, kites were once used, and weather balloons or aerostats are still used, to lift experimental equipment into the air. Early experimenters even went aloft themselves in hot air balloons. Hoffert (1888) identified individual lightning downward strokes using early cameras. Elster and Geitel, who also worked on thermionic emission, proposed a theory to explain thunderstorms' electrical structure (1885) and, later, discovered atmospheric radioactivity (1899) from the existence of positive and negative ions in the atmosphere. Pockels (1897) estimated lightning current intensity by analyzing lightning flashes in basalt (c. 1900) and studying the left over magnetic fields caused by lightning. Discoveries about the electrification of the atmosphere via sensitive electrical instruments and ideas on how the Earth's negative charge is maintained were developed mainly in the 20th century, with CTR Wilson playing an important part. Current research on atmospheric electricity focuses mainly on lightning, particularly high energy particles and transient luminous events, and the role of non thunderstorm electrical processes in weather and climate.

Описание

Атмосферное электричество всегда присутствует, и в хорошую погоду, вдали от гроз, воздух над поверхностью Земли заряжен положительно, а поверхность Земли – отрицательно. Это можно объяснить разностью потенциалов между точкой на поверхности Земли и точкой в воздухе над ней. Поскольку атмосферное электрическое поле в хорошую погоду направлено вниз, принято говорить о градиенте потенциала, который имеет противоположный знак и составляет около 100 В/м на поверхности, вдали от гроз. Изменчивость градиента потенциала описывают как "фундаментальный электрический пульс планеты". Даже вдали от гроз атмосферное электричество может сильно колебаться, но, как правило, электрическое поле усиливается в тумане и пыли, а атмосферная электрическая проводимость – уменьшается.

Связь с биологией

Атмосферный градиент потенциала вызывает поток ионов из положительно заряженной атмосферы к отрицательно заряженной поверхности Земли. На ровной местности в ясный день атмосферный градиент потенциала составляет примерно 120 В/м. Объекты, возвышающиеся над этими полями, например, цветы и деревья, могут усиливать напряженность электрического поля до нескольких киловольт на метр. Эти электростатические силы в приземном слое обнаруживаются такими организмами, как шмели, для навигации к цветам. Считается также, что атмосферный градиент потенциала влияет на электрохимические и микробные процессы в приповерхностных слоях. С другой стороны, скопления насекомых и птиц могут являться источником биогенного заряда в атмосфере, вероятно, внося вклад в электрическую изменчивость атмосферы.

В космосе

Слой электросферы (от десятков километров над поверхностью Земли до ионосферы) обладает высокой электрической проводимостью и фактически находится на постоянном электрическом потенциале. Ионосфера является внутренней границей магнитосферы и частью атмосферы, ионизируемой солнечным излучением. (Фотоионизация – это физический процесс, при котором фотон воздействует на атом, ион или молекулу, приводя к выбиванию одного или нескольких электронов.)

Космическое излучение

Земля и почти все живые существа на ней постоянно подвергаются бомбардировке радиацией из космоса. Это излучение в основном состоит из положительно заряженных ионов, от протонов до железа и более крупных ядер, пришедших из источников за пределами Солнечной системы. Это излучение взаимодействует с атомами в атмосфере, создавая воздушный ливень вторичного ионизирующего излучения, включающий рентгеновские лучи, мюоны, протоны, альфа-частицы, пионы и электроны. Ионизация от этого вторичного излучения обеспечивает слабую проводимость атмосферы, а небольшой ток, создаваемый этими ионами над поверхностью Земли, компенсирует ток от гроз. Огонь Святого Эльмо – это электрическое явление, при котором светящаяся плазма создается корональным разрядом, исходящим от заземленного объекта. Шаровая молния часто ошибочно принимается за огонь Святого Эльмо, хотя это отдельные и различные явления. Несмотря на название "огонь", огонь Святого Эльмо на самом деле является плазмой и наблюдается, как правило, во время грозы, на вершинах деревьев, шпилях или других высоких объектах, или на головах животных, в виде кисти или звезды света. Корона возникает из-за ионизации молекул воздуха электрическим полем вокруг объекта, создавая слабое свечение, легко видимое в условиях низкой освещенности. Для возникновения огня Святого Эльмо требуется примерно от 1000 до 30 000 вольт на сантиметр, однако это зависит от геометрии объекта. Острые концы, как правило, требуют более низкого напряжения для достижения того же эффекта, поскольку электрические поля более концентрированы в областях высокой кривизны, и, следовательно, разряды более интенсивны на концах заостренных объектов. Огонь Святого Эльмо и обычные искры могут возникать, когда высокое электрическое напряжение воздействует на газ. Огонь Святого Эльмо наблюдается во время грозы, когда земля под грозой электрически заряжена и в воздухе между облаком и землей существует высокое напряжение. Напряжение разрывает молекулы воздуха, и газ начинает светиться. Азот и кислород в атмосфере Земли заставляют огонь Святого Эльмо флуоресцировать синим или фиолетовым светом, подобно механизму, заставляющему светиться неоновые вывески.

The Earth, and almost all living things on it, are constantly bombarded by radiation from outer space. This radiation primarily consists of positively charged ions from protons to iron and larger nuclei derived sources outside the Solar System. This radiation interacts with atoms in the atmosphere to create an air shower of secondary ionising radiation, including X rays, muons, protons, alpha particles, pions, and electrons. Ionization from this secondary radiation ensures that the atmosphere is weakly conductive, and the slight current flow from these ions over the Earth's surface balances the current flow from thunderstorms.]] St. Elmo's Fire is an electrical phenomenon in which luminous plasma is created by a coronal discharge originating from a grounded object. Ball lightning is often erroneously identified as St. Elmo's Fire, whereas they are separate and distinct phenomena. Although referred to as "fire", St. Elmo's Fire is, in fact, plasma, and is observed, usually during a thunderstorm, at the tops of trees, spires or other tall objects, or on the heads of animals, as a brush or star of light. Corona is caused by the electric field around the object in question ionizing the air molecules, producing a faint glow easily visible in low light conditions. Approximately 1,000 – 30,000 volts per centimeter is required to induce St. Elmo's Fire; however, this is dependent on the geometry of the object in question. Sharp points tend to require lower voltage levels to produce the same result because electric fields are more concentrated in areas of high curvature, thus discharges are more intense at the end of pointed objects. St. Elmo's Fire and normal sparks both can appear when high electrical voltage affects a gas. St. Elmo's fire is seen during thunderstorms when the ground below the storm is electrically charged, and there is high voltage in the air between the cloud and the ground. The voltage tears apart the air molecules and the gas begins to glow. The nitrogen and oxygen in the Earth's atmosphere causes St. Elmo's Fire to fluoresce with blue or violet light; this is similar to the mechanism that causes neon signs to glow.

Земля-ионосферная полость

Резонансы Шумана — это набор спектральных пиков в области крайне низких частот (ELF) спектра электромагнитного поля Земли. Резонанс Шумана возникает из-за того, что пространство между поверхностью Земли и проводящей ионосферой функционирует как волновод. Ограниченные размеры Земли заставляют этот волновод действовать как резонансный резонатор для электромагнитных волн. Энергия от ударов молний естественным образом возбуждает этот резонатор.

Заземление электрической системы

Атмосферные заряды могут вызывать нежелательное, опасное и потенциально смертельное накопление электрического потенциала в подвесных системах распределения электроэнергии. Неизолированные провода, протянутые в воздухе на многие километры и изолированные от земли, могут накапливать очень большие заряды под высоким напряжением, даже при отсутствии грозы или молнии. Этот заряд будет стремиться к разряду по пути наименьшего сопротивления, что может произойти, когда человек дотрагивается до выключателя или использует электрическое устройство. Для рассеивания накопленного атмосферного заряда одна сторона электрической распределительной системы соединена с землей во многих точках по всей сети, часто на каждой опоре. Этот провод, соединенный с землей, обычно называют "защитным заземлением", и он обеспечивает путь для рассеивания потенциала заряда без повреждений, а также создает резервный канал в случае ухудшения одного из заземлений из-за коррозии или плохой проводимости грунта. Дополнительный заземляющий провод, не предназначенный для передачи тока, выполняет вторичную функцию, обеспечивая путь для короткого замыкания с высоким током, чтобы быстро перегорели предохранители и обезопасить поврежденное устройство, вместо того чтобы незаземленное устройство с поврежденной изоляцией стало "под напряжением" через сетевое питание и представляло опасность при прикосновении. Каждый трансформатор в сети распределения переменного тока разделяет систему заземления на новый, отдельный контур. Эти отдельные сети также должны быть заземлены с одной стороны, чтобы предотвратить накопление заряда внутри них относительно остальной системы, что может привести к повреждению из-за разряда потенциала заряда через обмотки трансформатора на другую заземленную сторону распределительной сети.

Другие показания

Ричард Э. Орвилл (ред.), "Атмосферное и космическое электричество". ("Выбор редактора" – виртуальный журнал) – "Американский геофизический союз" (AGU). Вашингтон, округ Колумбия, 20009, 1277, США.
Шёнланд, Б. Ф. Дж., "Атмосферное электричество". Methuen and Co., Ltd., Лондон, 1932.
Макгорман, Дональд Р., У. Дэвид Раст, Д. Р. Макгорман и У. Д. Раст, "Электрическая природа гроз". Оксфордский университетский пресс, март 1998.
Волланд, Х., "Атмосферная электродинамика", Springer, Берлин, 1984.