Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника arrow Физика

АТМОСФЕРНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

Рассмотрим электрические процессы, происходящие в атмосфере и облачном покрове Земли. В «чистой» атмосфере имеются свободные электрические заряды. Образование их происходит в основном под действием космических лучей, ультрафиолетового и корпускулярного излучения Солнца, излучения радиоактивных веществ в земной коре и в атмосфере. В облаках объемная плотность зарядов возрастает примерно в 100 раз. Происходит это по известной уже причине, т.е. за счет движения с трением облаков в воздушной среде.

Облако представляет собой взвесь в воздухе мельчайших и мелких капелек воды. Но наряду с водяными капельками в облаке могут находиться и мелкие кристаллики льда. Степень электризации облака увеличивается по мере укрупнения частиц, составляющих его, роста толщины облака, характера и интенсивности осадков и других факторов. Для возникновения молнии необходимы заряды 10... 100 Кл, отстоящие друг от друга на расстоянии от 1 до 10 км. Поэтому естественно предположить, и это подтверждает опыт, что наибольший заряд содержат грозовые тучи. Распределение зарядов в туче достаточно сложное; и если не придерживаться строгих рассуждений, то можно считать верхнюю часть заряженной положительно, а нижнюю — отрицательно. При этом центр положительных зарядов находится на высоте 7... 10 км, где температура достигает —20...—30 °С, а центр отрицательных зарядов — на высоте 3...4 км, где температура воздуха равна 0...—10 °С. Нижнюю часть тучи и земную поверхность, заряженную положительно, можно уподобить пластинкам своеобразного конденсатора. Разряд такого конденсатора может происходить за счет осадков или молний.

Рис. 9.22

Объяснить указанное разделение зарядов в облаке можно следующим образом. Падающая в пределах облака или тучи капля воды находится в ее электрическом поле. Поскольку поле направлено вниз, оно поляризует каплю так, что ее верхняя часть оказывается заряженной отрицательно, а нижняя — положительно. Встречающиеся на пути падения капли положительные ионы отталкиваются положительно заряженной фронтальной частью капли (рис. 9.22), а отрицательные ионы, наоборот, притягиваются. Следовательно, в процессе падения капля приобретает возрастающий отрицательный заряд. Падение же множества капель приводит к накоплению в нижней части тучи отрицательного заряда. «Отброшенные» в стороны положительные ионы восходящим потоком перемещаются в верхнюю часть тучи. Таков упрощенный механизм электризации тучи. Однако он не единственен. Есть и другой путь электризации. Тучи и некоторые облака содержат не только водяные капли, но и в своей верхней части — ледяные кристаллики. С обледенением связано явление термоэлектронной эмиссии, при котором над поверхностью льда имеются электроны. Это те электроны, энергия теплового движения которых оказалась достаточной, чтобы выйти за пределы поверхности льда. Возникающая при этом контактная разность потенциалов между льдом—водой и льдом—воздухом препятствует дальнейшей эмиссии электронов. Термоэлектронная эмиссия, таким образом, способствует появлению избыточного положительного заряда в верхней половине облака.

Однако электрические токи, «текущие» сверху вниз, имеют место и в безоблачной атмосфере. Плотность силы тока при этом невелика — « 10-12 А/м2. Это значит, что на каждый квадратный метр земной поверхности ежесекундно приходит положительный заряд,

равный 10_ 12 Кл. Таким образом, в атмосфере Земли имеется направленное вертикально вниз электрическое поле, описываемое законом Ома: j = уЁ. Здесь у — удельная электропроводность атмосферы. Вследствие ионизации воздуха космическими лучами и ультрафиолетовым солнечным излучением электропроводность атмосферы быстро растет с высотой, и на высоте 50 км воздух становится хорошим проводником. С этой границы начинается нижняя граница ионосферы. Заряжена ионосфера положительно, а земная поверхность — отрицательно. Разность потенциалов между ними, т.е. нижней границей ионосферы и земной поверхностью, составляет примерно 4 • 105 В. Разность потенциалов вызывает движение положительных ионов от нижней границы ионосферы к Земле. При этом электропроводность с уменьшением высоты снижается, а напряженность поля атмосферы увеличивается и вблизи земной поверхности в условиях «чистой атмосферы» принимает наибольшее значение — 100... 130 В/м. Однако, несмотря на непрерывность процесса переноса положительных зарядов в направлении Земли, последняя, тем не менее, сохраняет неизменным свой полный отрицательный заряд 3 • 105 Кл, как, впрочем, неизменным остается и положительный заряд ионосферы указанной величины. Объясняется это существованием встречных токов, которые непрерывно заряжают ионосферу. Токи зарядки возникают в областях нарушения погоды. Области нарушенной погоды — понятие довольно широкое. К ним относится пространство «нечистой» атмосферы, где имеют место облачность, осадки, грозы, пылевые бури и т.п. Осадки и молнии переносят положительный заряд с земной поверхности в нижнюю часть тучи, после чего он переходит в ее верхнюю часть, и в конечном счете положительные заряды переходят от тучи к нижней границе ионосферы. Происходит своеобразная циркуляция электрических зарядов между обкладками гигантского сферического конденсатора, который разряжается в областях хорошей погоды и заряжается в областях грозовой активности (рис. 9.23). Заметим, что во время грозы напряжен-

Рис. 9.23

ность поля вблизи земной поверхности достигает 1000 В/м, причем поле направлено вверх.

Еще в 1752 г. Б. Франклин экспериментально доказал, что молния — это сильный электрический искровой разряд. Большинство молний возникают между тучей и земной поверхностью и состоят из последовательных нарастающих импульсов. Возможна молния и между тучами. Такие молнии называют линейными. Длина их измеряется километрами. Есть еще ленточные и шаровые молнии. Для линейной молнии длиной от 2 до 20 км разность потенциалов между тучей и землей составляет 109 В. Это в тысячи раз превышает разность потенциалов между Землей и нижней границей ионосферы. Напряженность электрического поля при этом достигает

25...30 кВ/м. Разряд молнии длится около 0,1 с. Средняя сила тока в процессе разряда составляет десятки тысяч ампер, а общий заряд, переносимый молнией, достигает 100 Кл. Канал молнии имеет диаметр около нескольких десятков сантиметров; выделяемая в нем энергия равна 109...1010 Дж, что соответствует температуре 2 • 104 К. Основной ток, однако, проходит по более узкому «внутреннему» каналу диаметром 1 см.

Гром возникает вследствие резкого расширения воздуха при быстром повышении температуры в канале разряда молнии. Гром слышится в течение нескольких секунд, тогда как молния наблюдается 0, Г..0,2 с. Это объясняется тем, что молния имеет большую длину и звук от разных ее участков доходит до нас в разные моменты времени. Кроме того, возникает эхо при отражении звука от облаков и тучи.

Грозы относятся к опасным для летательных аппаратов метеорологическим явлениям. Попадание молнии в летательный аппарат может привести к разрушению элементов конструкции, нарушению работы радиоаппаратуры и навигационных приборов, ослеплению и непосредственному поражению экипажа. В целях избежания поражения молнией предусматриваются информационные меры по молниезащите летательных аппаратов. В телеграфном оповещении о грозе авиационные метеорологические станции указывают местоположение грозы, расстояние, направление ее движения, наличие осадков на аэродроме.

Подводя итоги, отметим, что, помимо упомянутых электрических токов в атмосфере — токов проводимости, обусловленных движением электронов под действием электрического поля, и токов при разрядах, существуют еще конвективные токи и токи смещения. Конвективные токи обусловлены переносом объемных зарядов, а токи смещения — быстрым изменением электрического поля.

 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >
 

Популярные страницы