Атмосферное электричество

АТМОСФЕРНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО, 1) совокупность электрических явлений и процессов в атмосфере; 2) раздел физики атмосферы, изучающий электрические явления в атмосфере и её электрические свойства; в атмосферном электричестве исследуются электрическое поле в атмосфере, её проводимость, электрические токи и объёмные заряды в ней, заряды облаков и осадков, грозовые разряды и др. Атмосферное электричество влияет на органическую жизнь на Земле и её экологию.

Наука об атмосферном электричестве зародилась в 18 веке. Начало было положено американским учёным Б. Франклином, экспериментально доказавшим электрическую природу молнии, и М. В. Ломоносовым, объяснившим электризацию грозовых облаков.

Атмосферное электричество тесно связано с метеорологическими факторами - облаками, осадками, метелями, пыльными бурями и др. К области атмосферного электричества относят процессы, происходящие в тропосфере и стратосфере, и их зависимость от локальных и глобальных факторов. Территории, где отсутствуют скопления аэрозолей и другие источники сильной ионизации, рассматриваются как зоны «хорошей» погоды с преобладанием глобальных факторов. В зонах «нарушенной» погоды преобладают локальные метеорологические факторы.

Электрическое поле атмосферы. В тропосфере все облака и осадки, туманы, пыль обычно электрически заряжены. В чистой атмосфере постоянно существует электрическое поле, напряжённость которого Е направлена сверху вниз. Это направление Е принято считать нормальным, а вертикальный градиент электрического потенциала - положительным. У земной поверхности существует стационарное электрическое поле с Е, в среднем равной около 130 В/м. Земля имеет отрицательный заряд, равный около 3·10⁵ Кл, а атмосфера в целом заряжена положительно. При грозах, осадках, пыльных бурях, метелях и др. напряжённость Е может резко менять направление и значение, достигая иногда 1000 В/м. Наибольшую величину Е имеет в средних широтах, а к полюсу и экватору убывает. Над материками Е несколько выше среднего значения, а над океанами несколько ниже. С высотой Е в целом уменьшается. В слое перемешивания (300-3000 м), где скапливаются аэрозоли, Е может возрастать с высотой, выше этого слоя убывает по экспоненциальному закону.

На высоте 10 км Е не превышает нескольких В/м. Это убывание Е связано с наличием в атмосфере положительных объёмных зарядов, плотность которых уменьшается с высотой. Изменение величины объёмного заряда атмосферы по высоте значительно влияет на существование глобальных вариаций Е. Разность потенциалов между Землёй и ионосферой составляет 200-250 кВ.

Напряжённость электрического поля Е меняется во времени и имеет суточный и годовой ход. Отмечаются синхронные для всех пунктов суточные (рисунок, кривые 1 и 2) и годовые вариации Е - так называемые унитарные вариации. Их суточный ход над полярными областями и океанами имеет вид простой волны, над континентами - вид сложной волны с двумя максимумами. Градиент электрического поля атмосферы для умеренных широт Северного полушария наибольший зимой и наименьший в начале лета. Унитарные вариации связаны с изменением электрического заряда Земли в целом, локальные - с изменениями величины и распределения по высоте объёмных электрических зарядов в атмосфере в данном регионе. Величина градиента электрического поля атмосферы зависит от колебаний между максимумом и минимумом солнечной активности.

Электрическая проводимость атмосферы. Электрическое состояние атмосферы в значительной степени определяется её электрической проводимостью λ, которая создаётся ионами, находящимися в атмосфере. Концентрация и подвижность ионов в атмосфере определяет значение λ. Основной вклад в λ вносят лёгкие ионы, подвижность которых u > 10^-5м²/(с·В). У поверхности Земли в среднем λ = (1-2)·10^-18 (Ом·м)^-1 и увеличивается с высотой примерно по экспоненциальному закону. На высоте около 30 км λ почти в 150 раз больше, чем у земной поверхности.

Основные ионизаторы атмосферы: 1) космические лучи, действующие во всей толще атмосферы; 2) излучение радиоактивных веществ, находящихся в земле и воздухе; 3) ультрафиолетовое, корпускулярное и рентгеновское излучения Солнца, ионизирующее действие которых заметно проявляется на высотах более 60 км. Концентрация лёгких ионов растёт с высотой вследствие увеличения интенсивности ионизации, что в сочетании с нарастанием подвижности ионов при уменьшении плотности воздуха объясняет характер изменения λ и Е с высотой.

Электрический ток и объёмный заряд в атмосфере. В условиях «хорошей» погоды в атмосфере течёт вертикальный электрический ток, представляющий собой сумму токов проводимости, диффузии и конвекции. На Землю непрерывно стекает электрический ток силой около 1800 А. Поскольку заряд Земли в среднем не меняется, существуют, очевидно, «генераторы» атмосферного электричества, заряжающие Землю. Такими «генераторами» являются пыльные бури, извержения вулканов, метели, разбрызгивание капель воды прибоем и водопадами, пар и дым промышленных источников. Электризация, проявляющаяся при перечисленных явлениях, может привести к образованию молний. Наибольший вклад в электризацию атмосферы вносят облака и осадки. Электризация облака увеличивается с укрупнением его частиц, увеличением толщины, усилением осадков. В слоистых и слоисто-кучевых облаках плотность объёмных зарядов в 10 раз превышает их плотность в чистой атмосфере. Облака заряжены положительно в верхней части и отрицательно в нижней, но могут иметь и противоположную полярность или иметь заряд преимущественно одного знака.

На плотность объёмных зарядов влияет турбулентность атмосферы. Плотность токов осадков, выпадающих на Землю из слоисто-кучевых облаков, порядка 10^-12 А/м², из грозовых облаков - порядка 10^-8 А/м². Полная сила тока, текущего на Землю от грозового облака в средних широтах, около 0,01-0,1 А, ближе к экватору - до 0,5-1,0 А. Сила токов, текущих в самих этих облаках, в 10-100 раз больше токов, притекающих к Земле, то есть гроза в электрическом отношении подобна короткозамкнутому генератору. На земном шаре одновременно происходят около 1800 гроз (рисунок, кривая 3). Облака слоистых форм, покрывающие около половины земной поверхности, также вносят существенный вклад в электрическое поле Земли.

Исследования атмосферного электричества позволяют выяснить природу процессов электризации грозовых облаков и его роль в образовании облаков и осадков. В числе прикладных задач - снижение электризации самолётов с целью повышения безопасности полётов, учёт атмосферного электричества при запуске ракет, оценка его влияния на здоровье человека. Некоторые характеристики атмосферного электричества могут служить индикаторами антропогенного воздействия на атмосферу.

Лит.: Френкель Я. И. Теория явлений атмосферного электричества. Л.; М., 1949; Имянитон И. М., Чубарина Е. В. Электричество свободной атмосферы. Л., 1965; Чалмерс Дж. А. Атмосферное электричество. Л., 1974.