Гроза. Молния.
Прилагательное "грозный" образовано от существительного "гроза". После такого тонкого лингвистического наблюдения и глубокомысленного вывода сразу вспоминаются прекрасные стихи Ф.И. Тютчева: "Люблю грозу в начале мая..." Конечно, гроза бывает в любое время года, даже зимой, но весной, когда природа цветёт, гроза особенно красива, что и подметил поет.
Что же представляет собой красивое, величественное и одновременно опасное явление природы, называемое грозой? Об этом учёные и простые люди задумывались давно. Не понимая причин сущности грозы, люди в давние времена постоянно испытывали священный ужас перед этим явлением природы. И было от чего приходить в ужас: последствиями сильных гроз нередко бывали разрушения жилищ и хозяйственных построек, пожары, гибель людей и домашних животных.
Только в XVIII веке учёные установили, что молния - это искровой разряд атмосферного электричества. Изучением атмосферного электричества занимались многие ученые, в том числе М.В. Ломоносов, который высказал правильную догадку о вертикальных течениях в атмосфере и появлении электрических зарядов на облаках. На опытах, проведённых в 1752-1753 годах, М.В. Ломоносов и американский исследователь и государственный деятель Вениамин Франклин (1706-1790) одновременно и независимо друг от друга доказали, что грозовая молния - это гигантская электрическая искра, которая ничем кроме размеров и, соответственно, энергии не отличается от искры, проскакивающей между шарами лабораторной электрической машины.
Ломоносов построил "громовую машину", представлявшую собой конденсатор, который заряжался атмосферным электричеством через провод, конец которого был поднят над землёй на высоком шесте. Конденсатор находился в кабинете Ломоносова. Во время грозы можно было извлекать искры из конденсатора, когда к нему приближались руками. Во время таких опытов в 1753 году на глазах у Ломоносова погиб работавший вместе с ним его друг, немецкий ученый Георг Рихман.
Не менее опасный опыт проводил в Америке примерно в то же время Франклин. Он запустил во время грозы на бечёвке бумажного змея, который был снабжён железным остриём. К нижнему концу бечёвки был привязан металлический предмет (дверной ключ). Когда бечёвка намокла и превратилась в проводник электрического тока, Франклин смог извлечь из ключа электрические искры и зарядить лейденские банки для дальнейших опытов с электрической машиной. Ясно, что Франклин сильно рисковал, т.к. молния могла ударить в змей, и тогда электрический ток большой величины прошёл бы в землю через тело экспериментатора.
Опыты Ломоносова и Франклина показали, что грозовые облака сильно заряжены электричеством.
В дальнейшем было установлено, что разные части грозового облака несут заряды различных знаков. Чаще всего нижняя часть облака (обращённая к земле) бывает заряжена отрицательно, а верхняя положительно. Напомним, что Земля в целом обладает отрицательным зарядом. Если два облака сближаются разноимённо заряженными частями, то между ними проскакивает молния. Но грозовой разряд может произойти и иначе. Проходя над землёй, грозовое облако создаёт на её поверхности большие индукционные заряды. Облако и поверхность земли образуют как бы две обкладки большого конденсатора. Разность потенциалов между облаком и землёй достигает огромных значений, достигающих сотен миллионов вольт, и в воздухе возникает сильное электрическое поле. Если напряжённость этого поля достигает определенного предела, то происходит пробой, т.е. молния ударяет в землю. О возможных последствиях такого удара для людей и окружающих предметов мы уже упоминали.
Многочисленные и многолетние исследования показывают, что искровой разряд в молнии имеет следующие средние параметры:
Напряжение между облаком и землёй - 100 000 000 (сто миллионов) вольт;
Сила тока в молнии - 100 000 (сто тысяч) ампер;
Продолжительность электрического разряда - 10 -6 (одна миллионная) секунды;
Диаметр светящегося канала - 10-20 см.
Гром, возникающий после молнии, объясняется тем, что воздух внутри и вокруг канала молнии сильно нагревается и быстро расширяется, создавая звуковые волны. Когда эти волны отражаются от облаков или объектов на поверхности земли, то возникает эхо, воспринимаемое нашим слухом как громовые раскаты. Сокрушительный грохот этих раскатов косвенно говорит о том, насколько чудовищны значения электрических величин, породивших молнию.
Электрическое поле Земли.
Исследователями установлено, что между различными точками земной атмосферы, находящимися на разной высоте, имеется разность потенциалов, т.е. около земной поверхности существует электрическое поле. Величина изменения потенциала с высотой различна в разное время года и для разных местностей и имеет вблизи земной поверхности среднее значение 130 вольт на каждый метр. Другими словами, напряженность поля вблизи Земли равна 1,3 в/см. По мере подъема над Землёй поле это быстро ослабевает, и уже на высоте 1 км напряжённость его равна только 0,4 в/см, а на высоте 10 км оно становится ничтожно слабым. Знак этого изменения соответствует отрицательному заряду Земли. Таким образом, мы постоянно живём и работаем в электрическом поле довольно значительной напряженности.
Поскольку поле вблизи Земли имеет напряженность около 130 в/м, то между точками, в которых находятся голова и ноги каждого из нас, должно было бы быть напряжение свыше 200 вольт. Почему же мы не ощущаем этого поля, в то время как прикосновение к проводнику, включенному в сеть с напряжением 100-120 вольт может оказаться не просто болезненным, но и смертельно опасным? Оказывается, дело в том, что тело человека является проводником и поэтому поверхность его в поле при равновесии зарядов должна быть эквипотенциальной поверхностью, т.е. такой, для любой пары точек которой разность потенциалов равна нулю. Поэтому между отдельными точками поверхности тела (головой и ногами) не может быть разности потенциалов. Земной шар в целом является проводником, поэтому поверхность Земли есть также эквипотенциальная поверхность.
Опытное исследование электрического поля Земли и соответствующие расчеты показывают, что Земля в целом обладает отрицательным зарядом, средняя величина которого оценивается в полмиллиона кулонов (около 4,5x10 5). Этот заряд поддерживается приблизительно неизменным благодаря ряду процессов в атмосфере Земли и вне её (в мировом пространстве), которые ещё далеко не полностью выяснены.
Где же расположены соответствующие положительные заряды? Эти заряды находятся в так называемой ионосфере, т.е. в слое ионизированных (положительно заряженных) молекул, находящемся в нескольких десятках километров над Землёй. Объёмный положительный заряд этого слоя атмосферы и компенсирует отрицательный заряд Земли. Линии земного электрического поля идут от этого слоя к поверхности Земли (от положительного заряда к отрицательному).
Радуга.
Обычно после дождя на небе появляется радуга, эта красочная арка из воды и света. С незапамятных времён радуга волновала умы исследователей и мифотворцев. Аристотель, например, считал радугу отражением солнечного света облаками. Это, конечно, слишком большое упрощение действительного явления. По современным представлениям белый свет является смесью различных излучений со своими длинами волн. Попадая во взвешенную в воздухе водяную капельку, луч белого света преломляется как в призме. Попадая на внутреннюю стенку капли, он отражается и распадается на одноцветные излучения, которые под разными углами направляются к противоположной стенке. Эти излучения при выходе наружу обладают цветом, соответствующим их собственной длине волны. Они и образуют разноцветную палитру радуги. С помощью точных приборов исследователи определили, что угол отражения красного луча равен 137 о 58`, фиолетового - 139 о 43`. Так возникает хрупкая, неизменно повторяющаяся строгая последовательность цветов: по внутреннему краю радуги - фиолетовый, постепенно переходящий в синий, зелёный, желтый, оранжевый, и по наружному краю - красный.
Точно так же синий ореол над далёкими вершинами или над морским горизонтом возникает при столкновении лучей определённой длины волны с частицами, образованными молекулами воздуха. Если бы свет не отражался от капель и частиц, то небо казалось бы нам таким же чёрным, как и межпланетное пространство, которое наблюдают космонавты за пределами земной атмосферы.
Научное объяснение радуги дал ещё в 1635 году Рене Декарт в своем труде «Метеоры» в главе «О радуге», представленной на нашем сайте.
Световые волны - это электромагнитные колебания. Воспринятые глазом и обработанные мозгом, они создают воспринимаемую нами трёхмерную красочную картину мира. Радуга - это упорядоченная серия электромагнитных колебаний с длинами волн от 8x10 -5 см для красного цвета до 4x10 -5 см для фиолетового. Длины волн для других цветов находятся в промежутке между указанными величинами. Человеческий глаз - это немыслимо сложный физический прибор, способный обнаруживать различие в цвете, даже в оттенках цвета, которым соответствует совершенно незначительная разница в длине световых волн: около 10 -6 (около одной миллионной!) сантиметра. Вообще говоря, в природе никаких красок не существует, есть только волны разной длины. Видимые нами цвета - это измеренная глазом и истолкованная мозгом энергия световой волны. Удивительная игра красок реализуется нашим глазом лишь в узкой полосе частот световых колебаний. А как мог выглядеть окружающий мир, если бы человеческому глазу был доступен более широкий спектр частот для перевода их в цветовую гамму? Такую ситуацию мы вообразить не в состоянии.
А теперь несколько слов о других явлениях природы, связанных с функционированием биосферы. В продолжение темы атмосферных осадков необходимо сказать о снегопадах и выпадениях града. Физически оба этих вида осадков едины, т.к. представляют собой выпадение из облаков той же воды, превращенной низкими температурами воздуха в другое агрегатное состояние. При повышении температуры примерно до 0 о -1 о Цельсия снег и град снова превращается в воду, т.е. в жидкую фазу.
Для земледельцев обильные снегопады в начале зимы - признак хорошего будущего урожая: ведь семена озимых теперь хорошо укрыты от морозов. "Снег глубок - и хлеб хорош" - так исстари говорили в русских деревнях. А покрытые снегом деревья напоминают очаровательную зимнюю сказку. Сколько радости у детей, когда они имеют возможность слепить снежную бабу, или поиграть в снежки!
Но не только радость приносят снегопады. Если они слишком обильны, продолжительны и вьюжны - чего уж тут хорошего. Метровые сугробы и заносы на дорогах, перерывы в работе наземного и воздушного транспорта, обрывы электропроводов, сходы снежных лавин в горах, нередко приводящие к пленению, а иногда и гибели людей в снежной массе. Для диких животных и птиц затрудняется поиск корма. Всё это мы наблюдаем и переживаем почти ежегодно в самых разнообразных районах земного шара.
Крупный град, особенно если он выпадает весной, способен нанести большой вред урожаю садов и полей, а то и вызвать повреждения построек, автомобилей, стоящих под открытым небом и т.д.
Электрическое поле Земли, естественное электрическое поле Земли как планеты, которое наблюдается в твёрдом теле Земли, в морях, в атмосфере и магнитосфере. Э. п. 3. обусловлено сложным комплексом геофизических явлений. Распределение потенциала поля несёт в себе определённую информацию о строении Земли, о процессах, протекающих в нижних слоях атмосферы, в ионосфере, магнитосфере, а также в ближнем межпланетном пространстве и на Солнце.
Методика измерения Э. п. 3. определяется той средой, в которой наблюдается поле. Наиболее универсальный способ - определение разности потенциалов при помощи разнесённых в пространстве электродов. Этот способ применяется при регистрации земных токов (см. Теллурические токи ), при измерении с летательных аппаратов электрического поля атмосферы, а с космических аппаратов - магнитосферы и космического пространства (при этом расстояние между электродами должно превышать дебаевский радиус экранирования в космической плазме, т. е. составлять сотни метров).
Существование электрического поля в атмосфере Земли связано в основном с процессами ионизации воздуха и пространственным разделением возникающих при ионизации положительных и отрицательных электрических зарядов. Ионизация воздуха происходит под действием космических лучей ультрафиолетового излучения Солнца; излучения радиоактивных веществ, имеющихся на поверхности Земли и в воздухе; электрических разрядов в атмосфере и т. д. Многие атмосферные процессы: конвекция образование облаков, осадки и другие - приводят к частичному разделению разноимённых зарядов и возникновению атмосферных электрических полей (см. Атмосферное электричество ). Относительно атмосферы поверхность Земли заряжена отрицательно.
Существование электрического поля атмосферы приводит к возникновению токов, разряжающих электрический «конденсатор» атмосфера - Земля. В обмене зарядами между поверхностью Земли и атмосферой значительную роль играют осадки. В среднем осадки приносят положительных зарядов в 1,1-1,4 раза больше, чем отрицательных. Утечка зарядов из атмосферы восполняется также за счёт токов, связанных с молниями и отеканием зарядов с остроконечных предметов (острий). Баланс электрических зарядов, приносимых на земную поверхность площадью 1 км 2 за год, можно характеризовать следующими данными:
Ток проводимости + 60 к/(км 2 ·год)
Токи осадков + 20 »
Разряды молний – 20 »
Токи с остриёв – 100 »
__________________________
Всего – 40 к/(км 2 ·год)
На значительной части земной поверхности - над океанами - токи с остриёв исключаются, и здесь будет положительный баланс. Существование статического отрицательного заряда на поверхности Земли (около 5,7× 10 5 к ) говорит о том, что эти токи в среднем сбалансированы.
Электрические поля в ионосфере обусловлены процессами, протекающими как в верхних слоях атмосферы, так и в магнитосфере. Приливные движения воздушный масс, ветры, турбулентность - всё это является источником генерации электрического поля в ионосфере благодаря эффекту гидромагнитного динамо (см. Земной магнетизм ) Примером может служить солнечно-суточная электрическая токовая система, которая вызывает на поверхности Земли суточные вариации магнитного поля. Величина напряжённости электрического поля в ионосфере зависит от местоположения точки наблюдения, времени суток, общего состояния магнитосферы и ионосферы, от активности Солнца. Она колеблется от нескольких единиц до десятков мв /м, а в высокоширотной ионосфере достигает ста и более мв/м. При этом сила тока доходит до сотен тысяч ампер. Из-за высокой электропроводности плазмы ионосферы и магнитосферы вдоль силовых линий магнитного поля Земли электрического поля ионосферы переносятся в магнитосферу, а магнитосферные поля в ионосферу.
Одним из непосредственных источников электрического поля в магнитосфере является солнечный ветер . При обтекании магнитосферы солнечным ветром возникает эдс Е = v ´ b ^ , где b ^ - нормальная компонента магнитного поля на поверхности магнитосферы, v - средняя скорость частиц солнечного ветра.
Эта эдс вызывает электрические токи, замыкающиеся обратными токами, текущими поперёк хвоста магнитосферы (см. Земля ). Последние порождаются положительными пространственными зарядами на утренней стороне хвоста магнитосферы и отрицательными - на его вечерней стороне. Величина напряженности электрического поля поперёк хвоста магнитосферы достигает 1 мв /м. Разность потенциалов поперёк полярной шапки составляет 20-100 кв.
Ещё один механизм возбуждения эдс в магнитосфере связан с коллапсом противоположно направленных силовых линий магнитного поля в хвостовой части магнитосферы; освобождающаяся при этом энергия вызывает бурное перемещение магнитосферной плазмы к Земле. При этом электроны дрейфуют вокруг Земли к утренней стороне, протоны - к вечерней. Разность потенциалов между центрами эквивалентных объемных зарядов достигает десятков киловольт. Это поле противоположно по направлению полю хвостовой части магнитосферы.
С дрейфом частиц непосредственно связано существование магнитосферного кольцевого тока вокруг Земли. В периоды магнитных бурь и полярных сияний электрические поля и токи в магнитосфере и ионосфере испытывают значительные изменения.
Магнитогидродинамические волны, генерируемые в магнитосфере, распространяются по естественным волноводным каналам вдоль силовых линии магнитного поля Земли. Попадая в ионосферу, они преобразуются в электромагнитные волны, которые частично доходят до поверхности Земли, а частично распространяются в ионосферном волноводе и затухают, На поверхности Земли эти волны регистрируются в зависимости от частоты колебаний либо как магнитные пульсации (10 -2 -10 гц ), либо как очень низкочастотные волны (колебания с частотой 10 2 -10 4 гц ).
Переменное магнитное поле Земли, источники которого локализованы в ионосфере и магнитосфере, индуцирует электрическое поле в земной коре. Напряжённость электрического поля в приповерхностном слое коры колеблется в зависимости от места и электрического сопротивления пород в пределах от нескольких единиц до нескольких сотен мв /км, а во время магнитных бурь усиливается до единиц и даже десятков в /км. Взаимосвязанные переменные магнитное и электрическое поля Земли используют для электромагнитного зондирования в разведочной геофизике, а также для глубинного зондирования Земли.
Определённый вклад в Э. н. З. вносит контактная разность потенциалов между породами различной электропроводности (термоэлектрический, электрохимический, пьезоэлектрический эффекты). Особую роль при этом могут играть вулканические и сейсмические процессы.
Электрические поля в морях индуцируются переменным магнитным полем Земли, а также возникают при движении проводящей морской воды (морских волн и течений) в магнитном поле. Плотность электрических токов в морях достигает 10 -6 а/м 2 . Эти токи могут быть использованы как естественные источники переменного магнитного поля для магнитовариационного зондирования на шельфе и в море.
Вопрос об электрическом заряде Земли как источнике электрического поля в межпланетном пространстве окончательно не решён. Считается, что Земля как планета электрически нейтральна. Однако эта гипотеза требует своего экспериментального подтверждения. Первые измерения показали, что напряженность электрического поля в околоземном межпланетном пространстве колеблется в пределах от десятых долей до нескольких десятков мв /м.
Лит.: Тихонов А. Н. Об определении электрических характеристик глубоких слоев земной коры, «Докл. АН СССР», 1950, т. 73, № 2; Тверской П. Н., Курс метеорологии, Л., 1962; Акасофу С. И., Чепмен С., Солнечно-земная физика, пер. с англ., ч. 2, М., 1975.
Ю. П. Сизов.
Большая Советская Энциклопедия М.: "Советская энциклопедия", 1969-1978
Небесное тело, именуемое планета Земля, имеет электрический заряд, который создает естественное электрическое поле Земли. Одна из характеристик электрического поля - это потенциал, и электрическое поле Земли также характеризуется потенциалом. Также можно сказать, что кроме естественного электрического поля имеется и естественный постоянный электрический ток (DC) планеты Земля. Градиент потенциала Земли распределяется от ее поверхности до ионосферы. В хорошую для статического электричества погоду электрическое поле атмосферы составляет приблизительно 150 вольт на метр (В/м) вблизи поверхности Земли, но эта величина падает экспоненциально с увеличением высоты до 1 В/м и меньше (на высоте 30 км). Причиной снижения градиента является в том числе и рост проводимости атмосферы.
Если надеть одежду из хорошего изолятора, являющегося отличным диэлектриком, например одежда из нейлона, а обувь использовать исключительно резиновую, при этом не иметь на поверхности одежды никаких металлических предметов, тогда между поверхностью земли и макушкой головы можно померить разность потенциалов. Так как каждый метр составляет 150 Вольт, то при росте 170 см, на макушке будет относительно поверхности разность потенциалов в 1,7x150=255 Вольт. Если на голову надеть металлическую кастрюлю, то на ней соберется поверхностный заряд. Причина такого собирания заряда в том, что одежда из нейлона является хорошим изолятором, а обувь резиновая. Заземление, то есть проводящий контакт с поверхностью земли отсутствует. Для того, чтобы не накапливать на себе электрические заряды, необходимо «заземляться». Точно также предметы, вещи, здания и сооружения, особенно высотные, способны накапливать атмосферное электричество. Это может привести к неприятным последствиям, так как любой накопленный заряд может стать причиной электрического тока и искрового пробоя в газах. Такие электростатические разряды могут вывести из строя электронику и быть причиной пожаров, особенно для легковоспламеняющихся веществ.
Чтобы не копить заряды атмосферного электричества достаточно соединить верхнюю точку с нижней (земля) электрическим проводником, а если площадь является большой, то заземление выполняют в виде клетки, контура, но, по сути, используют то, что именуется «клетка Фарадея».
Характеристики атмосферного электричества
Земля заряжена отрицательно, и имеет заряд равный 500000 Кулонам (Кл) электрического заряда. Разность потенциалов составляет величину от 300000 Вольт (300 кВ), если рассматривать напряжение между положительно заряженной ионосферой и поверхностью Земли. Также существует постоянный ток электричества, величиной порядка 1350 Ампер (А), и сопротивление атмосферы Земли составляет около 220 Ом. Это дает выходную мощность приблизительно 400 мегаватт (МВт), которая регенерируется деятельностью Солнца. Эта мощность влияет на ионосферу Земли, а также на более низкие слои, что вызывает грозы. Электрическая энергия, которая хранится и запасается в земной атмосфере составляет около 150 гигаджоулей (ГДж).
Система «Земля-Ионосфера» действует как гигантский конденсатор, емкость которого составляет 1,8 Фарад. Учитывая громадный размер площади поверхности Земли, на 1 квадратный метр поверхности приходится всего лишь 1 нКл электрического заряда.
Электросфера Земли простирается от уровня моря на высоту около 60 км. В верхних слоях, там где много свободных ионов и эта часть сферы называется ионосферой, проводимость максимальная, так как есть свободные носители зарядов. Потенциал в ионосфере можно сказать выровнен, так как эта сфера по сути считается проводником электрического тока, в ней существуют токи в газах и ток переноса. Источником свободных ионов является радиоактивность Солнца. Поток заряженных частиц, идущих от Солнца и из космоса «выбивает» электроны из молекул газа, что приводит к ионизации. Чем выше от поверхности моря, тем меньше проводимость атмосферы. У поверхности моря электропроводность воздуха составляет порядка 10 -14 Сименс/м (См/м), но она быстро растет по мере увеличения высоты, и на высоте 35 км составляет уже 10 -11 См/м. На такой высоте плотность воздуха составляет всего 1% от той, что у поверхности моря. Дальше, с ростом высоты проводимость меняется неоднородно, потому как оказывает влияние магнитное поле Земли и потоки фотонов от Солнца. Это значит, что проводимость электросферы выше 35 км от уровня моря неоднородна, зависит от времени суток (поток фотонов) и от географического места (магнитное поле Земли).
Для того, чтобы произошел электрический пробой между двумя плоскими параллельными электродами (расстояние между которыми 1 метр), которые находятся на уровне поверхности моря, при сухом воздухе, необходима напряженность поля в размере 3000 кВ/м. Если же эти электроды поднять на высоту 10 км от уровня моря, то потребуется всего лишь 3% от такой напряженности, то есть достаточно 90 кВ/м. Если же электроды сблизить так, что расстояние между ними будет 1 мм, тогда потребуется в 1000 раз меньшее напряжение для пробоя, то есть 3 кВ (уровень моря) и 9 В (на высоте 10 км).
Естественная величина напряженности электрического поля Земли у ее поверхности (уровень моря) составляет порядка 150 В/м, что гораздо меньше значений необходимых для пробоя между электродами даже в промежутке 1 мм (требуется 3 кВ/м).
Откуда берется потенциал электрического поля Земли?
Как было уже выше сказано, Земля представляет собой конденсатор, одна обкладка которого поверхность Земли, а другая обкладка суперконденсатора - это область ионосферы. На поверхности Земли заряд отрицательный, а за ионосферой - положительный. Также как и поверхность Земли, ионосфера также является проводником, а слой атмосферы между ними представляет собой неоднородный газовый диэлектрик. Положительный заряд ионосферы образуется за счет космического излучения, но что же заряжает поверхность Земли отрицательным зарядом?
Для наглядности необходимо вспомнить, как заряжается обычный электротехнический конденсатор. Его включают в электрическую цепь к источнику тока, и он заряжается до максимального значения напряжения на обкладках. Для такого конденсатора как Земля, происходит нечто подобное. Точно также должен включатся некий источник, протекать ток, и на обкладках образуются разноименные заряды. Вспомните про молнии, которые обычно сопровождаются грозами. Эти молнии и есть та самая электрическая цепь, которая заряжает Землю.
Именно молнии, бьющие на поверхность, Земли являются тем источником, которые заряжают поверхность Земли отрицательным зарядом. Молния имеет ток порядка 1800 Ампер, а количество гроз и молний за сутки более 300. Грозовое облако имеет полярность. Верхняя ее часть на высоте примерно 6-7 км при температуре воздуха около -20°С заряжена положительно, а нижняя часть на высоте 3-4 км при температуре воздуха от 0° до -10°С отрицательно. Заряда нижней части грозового облака хватает, чтобы создать разность потенциалов с поверхностью Земли в 20-100 миллионов вольт. Заряд молнии обычно составляет порядка 20-30 Кулон (Кл) электричества. Молнии бьют разрядами между тучами и между тучами и поверхностью Земли. Для каждой перезарядки требуется около 5 секунд, поэтому с такой очередностью могут идти разряды молний, но это еще не значит, что через 5 секунд обязательно произойдет разряд.
Молнии
Атмосферный разряд в виде молнии имеет довольно сложную структуру. Во всяком случае - это явление электрического тока в газах , которое происходит при достижении необходимых условий для газового пробоя, то есть ионизации молекул воздуха. Самое любопытное, что атмосфера Земли действует как непрерывная динамомашина, которая заряжает поверхность Земли отрицательно. Каждый разряд молнии бьет при условии, что поверхность Земли лишена отрицательных зарядов, что обеспечивает необходимую разность потенциала для разряда (газовой ионизации).
Как только молния ударяет в землю, отрицательный заряд перетекает на поверхность, но после этого нижняя часть грозового облака оказывается разряженной и ее потенциал меняется, он становится положительным. Далее происходит обратный ток и избыток заряда, попавший на поверхность Земли, движется вверх, заряжая грозовую тучу вновь. После этого процесс может повториться снова, но с меньшими значениями электрического напряжения и тока. Так происходит до тех пор, пока существуют условия для ионизации газов, необходимая разность потенциалов и избыток отрицательного электрического заряда.
Подытожив можно сказать, что молния бьет ступенчато, тем самым создавая электрическую цепь по которой течет ток в газах, чередуясь по направлению. Каждая перезарядка молнии длится около 5 секунд и бьет, только когда для этого существуют необходимые условия (пробойное напряжение и ионизация газов). Напряжение между началом и концом молнии может составлять порядка 100 млн. Вольт, а средняя величина тока около 1800 Ампер. Величина тока в пике достигает более 10000 Ампер, а переносимый заряд равен 20-30 Кулонам электричества.
Небесное тело, именуемое планета Земля, имеет электрический заряд, который создает естественное электрическое поле Земли. Одна из характеристик электрического поля - это потенциал, и электрическое поле Земли также характеризуется потенциалом. Также можно сказать, что кроме естественного электрического поля имеется и естественный постоянный электрический ток (DC) планеты Земля. Градиент потенциала Земли распределяется от ее поверхности до ионосферы. В хорошую для статического электричества погоду электрическое поле атмосферы составляет приблизительно 150 вольт на метр (В/м) вблизи поверхности Земли, но эта величина падает экспоненциально с увеличением высоты до 1 В/м и меньше (на высоте 30 км). Причиной снижения градиента является в том числе и рост проводимости атмосферы.
Если надеть одежду из хорошего изолятора, являющегося отличным диэлектриком, например одежда из нейлона, а обувь использовать исключительно резиновую, при этом не иметь на поверхности одежды никаких металлических предметов, тогда между поверхностью земли и макушкой головы можно померить разность потенциалов. Так как каждый метр составляет 150 Вольт, то при росте 170 см, на макушке будет относительно поверхности разность потенциалов в 1,7x150=255 Вольт. Если на голову надеть металлическую кастрюлю, то на ней соберется поверхностный заряд. Причина такого собирания заряда в том, что одежда из нейлона является хорошим изолятором, а обувь резиновая. Заземление, то есть проводящий контакт с поверхностью земли отсутствует. Для того, чтобы не накапливать на себе электрические заряды, необходимо «заземляться». Точно также предметы, вещи, здания и сооружения, особенно высотные, способны накапливать атмосферное электричество. Это может привести к неприятным последствиям, так как любой накопленный заряд может стать причиной электрического тока и искрового пробоя в газах. Такие электростатические разряды могут вывести из строя электронику и быть причиной пожаров, особенно для легковоспламеняющихся веществ.
Чтобы не копить заряды атмосферного электричества достаточно соединить верхнюю точку с нижней (земля) электрическим проводником, а если площадь является большой, то заземление выполняют в виде клетки, контура, но, по сути, используют то, что именуется «клетка Фарадея».
Характеристики атмосферного электричества
Земля заряжена отрицательно, и имеет заряд равный 500000 Кулонам (Кл) электрического заряда. Разность потенциалов составляет величину от 300000 Вольт (300 кВ), если рассматривать напряжение между положительно заряженной ионосферой и поверхностью Земли. Также существует постоянный ток электричества, величиной порядка 1350 Ампер (А), и сопротивление атмосферы Земли составляет около 220 Ом. Это дает выходную мощность приблизительно 400 мегаватт (МВт), которая регенерируется деятельностью Солнца. Эта мощность влияет на ионосферу Земли, а также на более низкие слои, что вызывает грозы. Электрическая энергия, которая хранится и запасается в земной атмосфере составляет около 150 гигаджоулей (ГДж).
Система «Земля-Ионосфера» действует как гигантский конденсатор, емкость которого составляет 1,8 Фарад. Учитывая громадный размер площади поверхности Земли, на 1 квадратный метр поверхности приходится всего лишь 1 нКл электрического заряда.
Электросфера Земли простирается от уровня моря на высоту около 60 км. В верхних слоях, там где много свободных ионов и эта часть сферы называется ионосферой, проводимость максимальная, так как есть свободные носители зарядов. Потенциал в ионосфере можно сказать выровнен, так как эта сфера по сути считается проводником электрического тока, в ней существуют токи в газах и ток переноса. Источником свободных ионов является радиоактивность Солнца. Поток заряженных частиц, идущих от Солнца и из космоса «выбивает» электроны из молекул газа, что приводит к ионизации. Чем выше от поверхности моря, тем меньше проводимость атмосферы. У поверхности моря электропроводность воздуха составляет порядка 10 -14 Сименс/м (См/м), но она быстро растет по мере увеличения высоты, и на высоте 35 км составляет уже 10 -11 См/м. На такой высоте плотность воздуха составляет всего 1% от той, что у поверхности моря. Дальше, с ростом высоты проводимость меняется неоднородно, потому как оказывает влияние магнитное поле Земли и потоки фотонов от Солнца. Это значит, что проводимость электросферы выше 35 км от уровня моря неоднородна, зависит от времени суток (поток фотонов) и от географического места (магнитное поле Земли).
Для того, чтобы произошел электрический пробой между двумя плоскими параллельными электродами (расстояние между которыми 1 метр), которые находятся на уровне поверхности моря, при сухом воздухе, необходима напряженность поля в размере 3000 кВ/м. Если же эти электроды поднять на высоту 10 км от уровня моря, то потребуется всего лишь 3% от такой напряженности, то есть достаточно 90 кВ/м. Если же электроды сблизить так, что расстояние между ними будет 1 мм, тогда потребуется в 1000 раз меньшее напряжение для пробоя, то есть 3 кВ (уровень моря) и 9 В (на высоте 10 км).
Естественная величина напряженности электрического поля Земли у ее поверхности (уровень моря) составляет порядка 150 В/м, что гораздо меньше значений необходимых для пробоя между электродами даже в промежутке 1 мм (требуется 3 кВ/м).
Откуда берется потенциал электрического поля Земли?
Как было уже выше сказано, Земля представляет собой конденсатор, одна обкладка которого поверхность Земли, а другая обкладка суперконденсатора - это область ионосферы. На поверхности Земли заряд отрицательный, а за ионосферой - положительный. Также как и поверхность Земли, ионосфера также является проводником, а слой атмосферы между ними представляет собой неоднородный газовый диэлектрик. Положительный заряд ионосферы образуется за счет космического излучения, но что же заряжает поверхность Земли отрицательным зарядом?
Для наглядности необходимо вспомнить, как заряжается обычный электротехнический конденсатор. Его включают в электрическую цепь к источнику тока, и он заряжается до максимального значения напряжения на обкладках. Для такого конденсатора как Земля, происходит нечто подобное. Точно также должен включатся некий источник, протекать ток, и на обкладках образуются разноименные заряды. Вспомните про молнии, которые обычно сопровождаются грозами. Эти молнии и есть та самая электрическая цепь, которая заряжает Землю.
Именно молнии, бьющие на поверхность, Земли являются тем источником, которые заряжают поверхность Земли отрицательным зарядом. Молния имеет ток порядка 1800 Ампер, а количество гроз и молний за сутки более 300. Грозовое облако имеет полярность. Верхняя ее часть на высоте примерно 6-7 км при температуре воздуха около -20°С заряжена положительно, а нижняя часть на высоте 3-4 км при температуре воздуха от 0° до -10°С отрицательно. Заряда нижней части грозового облака хватает, чтобы создать разность потенциалов с поверхностью Земли в 20-100 миллионов вольт. Заряд молнии обычно составляет порядка 20-30 Кулон (Кл) электричества. Молнии бьют разрядами между тучами и между тучами и поверхностью Земли. Для каждой перезарядки требуется около 5 секунд, поэтому с такой очередностью могут идти разряды молний, но это еще не значит, что через 5 секунд обязательно произойдет разряд.
Молнии
Атмосферный разряд в виде молнии имеет довольно сложную структуру. Во всяком случае - это явление электрического тока в газах , которое происходит при достижении необходимых условий для газового пробоя, то есть ионизации молекул воздуха. Самое любопытное, что атмосфера Земли действует как непрерывная динамомашина, которая заряжает поверхность Земли отрицательно. Каждый разряд молнии бьет при условии, что поверхность Земли лишена отрицательных зарядов, что обеспечивает необходимую разность потенциала для разряда (газовой ионизации).
Как только молния ударяет в землю, отрицательный заряд перетекает на поверхность, но после этого нижняя часть грозового облака оказывается разряженной и ее потенциал меняется, он становится положительным. Далее происходит обратный ток и избыток заряда, попавший на поверхность Земли, движется вверх, заряжая грозовую тучу вновь. После этого процесс может повториться снова, но с меньшими значениями электрического напряжения и тока. Так происходит до тех пор, пока существуют условия для ионизации газов, необходимая разность потенциалов и избыток отрицательного электрического заряда.
Подытожив можно сказать, что молния бьет ступенчато, тем самым создавая электрическую цепь по которой течет ток в газах, чередуясь по направлению. Каждая перезарядка молнии длится около 5 секунд и бьет, только когда для этого существуют необходимые условия (пробойное напряжение и ионизация газов). Напряжение между началом и концом молнии может составлять порядка 100 млн. Вольт, а средняя величина тока около 1800 Ампер. Величина тока в пике достигает более 10000 Ампер, а переносимый заряд равен 20-30 Кулонам электричества.
Наша Земля и другие планеты имеют как магнитное поля, так и электрическое. О том что Земля имеет электрическое поле, было известно лет 150 тому назад. Электрический заряд планет в солнечной системе создается Солнцем благодаря эффектам электростатической индукции и ионизации вещества планет. Магнитное поле образуется за счет осевого вращения заряженных планет. Среднее магнитное поле Земли и планет зависит от средней поверхностной плотности отрицательного электрического заряда, угловой скорости осевого вращения и радиуса планеты. Поэтому Землю (и другие планеты), по аналогии с прохождением света через линзу, следует рассматривать как электрическую линзу, а не источник электрического поля.
Значит, Земля связана с Солнцем с помощью электрической силы, само Солнце связано с центром Галактики с помощью магнитной силы, а центр Галактики связан с центральным сгущением галактик посредством электрической силы.
Наша планета в электрическом отношении представляет собой подобие сферического конденсатора, заряженного примерно до 300 000 вольт. Внутренняя сфера - поверхность Земли - заряжена отрицательно, внешняя сфера - ионосфера - положительно. Изолятором служит атмосфера Земли.
Через атмосферу постоянно протекают ионные и конвективные токи утечки конденсатора, которые достигают многих тысяч ампер. Но, несмотря на это разность потенциалов между обкладками конденсатора не уменьшается.
Это означает, что в природе существует генератор (G), который постоянно восполняет утечку зарядов с обкладок конденсатора. Таким генератором является магнитное поле Земли, которое вращается вместе с нашей планетой в потоке солнечного ветра.
Как и в любом заряженном конденсаторе, в земном конденсаторе существует электрическое поле. Напряженность этого поля распределяется очень неравномерно по высоте: она максимальна у поверхности Земли и составляет примерно 150 В/м. С высотой она уменьшается приблизительно по закону экспоненты и на высоте 10 км составляет около 3% от значения у поверхности Земли.
Таким образом, почти всё электрическое поле сосредоточено в нижнем слое атмосферы, у поверхности Земли. Вектор напряженности электрического поля Земли E направлен в общем случае вниз. Электрическое поле Земли, как и любое электрическое поле, действует на заряды с определенной силой F, которая толкает положительные заряды вниз, к земле, а отрицательные - вверх, в облака.
Все это можно увидеть в природных явлениях. На Земле постоянно бушуют ураганы, тропические шторма и множество циклонов. Например, подъем воздуха во время урагана происходит в основном за счет разности плотности воздуха на периферии урагана и в его центре - тепловой башне, но не только. Часть подъемной силы (примерно одну треть) обеспечивает электрическое поле Земли, согласно закону Кулона.
Океан во время шторма представляет собой огромное поле, усыпанное остриями и ребрами, на которых концентрируются отрицательные заряды и напряженность электрического поля Земли. Испаряющиеся молекулы воды в таких условиях легко захватывают отрицательные заряды и уносят их с собой. А электрическое поле Земли в полном соответствии с законом Кулона двигает эти заряды вверх, добавляя воздуху подъемную силу.
Таким образом, глобальный электрический генератор Земли расходует часть своей мощности на усиление атмосферных вихрей на планете - ураганов, штормов, циклонов и пр. Кроме того, такой расход мощности никак не сказывается на величине электрического поля Земли.
Электрическое поле Земли подвержено колебаниям: зимой оно сильнее, чем летом, ежедневно оно достигает максимума в 19 часов по Гринвичу, также зависит от состояния погоды. Но эти колебания не превышают 30% от его среднего значения. В некоторых редких случаях при определенных погодных условиях напряженность этого поля может увеличиться в несколько раз.
Во время грозы электрическое поле изменяется в больших пределах и может изменить направление на противоположное, но это происходит на небольшой площади, непосредственно под грозовой ячейкой и в течение короткого времени.
