Атмосферное электричество

Среда обитания человека подвергается воздействию не только электромагнитного, солнечного и космического излучений, но и пронизана статическим электричеством. Понятие «атмосферное электричество» объединяет совокупность электрических процессов, происходящих в атмосфере [9, 15]. Электрические свойства атмос­феры и происходящие в ней электрические явления изучает специ­альный раздел геофизики. Атмосферное электричество — сущест­венный абиотический фактор в биосфере, играющий большую роль в экологии. Атмосфера представляет собой газовую (воздушную) среду вокруг Земли, вращающуюся вместе с нею. Масса атмосферы составляет примерно 5,15^-10" кг, а масса Земли — 6-10²⁴ кг, т. е. масса атмосферы в миллион раз легче Земли. Химический состав атмосферы представлен в табл. 1.4.

Таблица 1.4. Химический состав воздуха у поверхности Земля (без учета паров воды)

В нижней части атмосферы (до высот 20 км) содержатся также пары воды. С высотой давление, плотность воздуха и концентрация паров воды уменьшается. На высотах при­мерно 25 км расположен слой озона О₃, предохраняющий жи­вые организмы биосферы от вредного воздействия ультра­фиолетового (УФ) излучения. На высотах, больших 100 км, увеличивается доля легких га­зов и на очень больших высо­тах преобладают молекулы Н₂ и Не. Часть молекул под воздействием электромагнитных полей распадается на атомы и ио­ны, образуя слой ионосферы, которая используется для дальней радиосвязи.

В зависимости от изменения температуры с высотой атмосферу разделяют на тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу, экзосферу. Гравитационное поле Земли удерживает атмосферу. Эле­ктростатические силы, определяемые кулоновским взаимодействи­ем между двумя неподвижными зарядами, во много раз больше гравитационного взаимодействия. Например, два заряда, каждый из которых равен одному кулону, действуют друг на друга при расстоянии в один метр с силой в несколько миллионов тонн. С другой стороны, две массы, каждая величиной в один килограмм, по закону тяготения Ньютона взаимодействует при расстоянии между ними в один метр с силой, примерно равной 6,7 10~¹⁴ т. Отсюда видно, насколько могущественнее силы кулоновского вза­имодействия по сравнению с силами гравитационного взаимодейст­вия. Закон взаимодействия двух электрических зарядов, открытый французским инженером Кулоном (1785) и названный его именем, удивительно гармонирует с законом всемирного тяготения И. Нью­тона (1642 — 1727). Закон кулоновского взаимодействия находит чрезвычайно широкое применение в электростатике, теории плаз­мы, атомной и ядерной физике. При появлении в атмосфере одного рода электричества всегда появляется равное количество электриче­ства другого рода. Нет ни одного явления, при котором создавался или исчезал заряд одного рода. Всегда происходит перераспределе­ние заряда между телами. При ионизации атомов возникают сво­бодные электроны, но при этом возникают и положительно заря­женные ионы. Алгебраическая сумма зарядов остается неизменной. Существует и действует закон сохранения заряда, как существует и действует закон сохранения вещества.

В атмосфере всегда присутствует электрическое поле. Все осад­ки, облака, пыль и туманы в атмосфере всегда заряжены в той или иной степени. Районы пыльных бурь, гроз, осадков имеют более сильные электрические поля, чем районы с «хорошей» погодой, где присутствует стационарное электрическое поле с напряженностью Е, равной примерно 130На рис. 1.7 предста­влена зависимость на­пряженности электри­ческого поля Ё в за­висимости от высоты h над уровнем моря (кривая 1) и континен­тами (кривая 2) для случая «хорошей» по­годы. В целом атмо­сфера заряжена положительно, а Земля имеет отрицательный заряд, примерно

Рнс 1.7. Зависимость напряженности электрическо­го поля Ё от высоты для «хорошей» погоды: 1 — над уровнем моря; 2 — над континентами

равный 3 • 10⁵ Кл. Наибольшее значение Ё наблюдается в средних широтах, а к полюсам и экватору значение Ё уменьшается.

На высоте 10 км значение Е составляет несколько В/м. В слое перемешивания толщиной примерно 0,3 — 3 км значение Е может увеличиваться из-за присутствия на этих высотах скопления аэро­зольных частиц. При больших высотах величина напряженности электрического поля уменьшается по экспоненциальному закону. Между ионосферой и поверхностью Земли разность потенциалов составляет примерно 200 — 250 кВ. Величина Ё меняется со време­нем, т. е. бывают суточные и годовые вариации. У поверхности Земли электропроводность атмосферы в составляет (2 — 3)·10^-14 Ом^-1· м^-1.

С увеличением высоты а растет по экспоненциальному закону и на высоте 10 км достигает значения 3,0• 10~¹³ Ом"¹ -м. Элект­ропроводность атмосферы определяется ионной составляющей с подвижностью легких ионов у поверхности Земли ы, = 10~⁴ м²/(сВ). Концентрация легких ионов п, увеличивается с увеличением иониза­ции зарядов и уменьшается с увеличением концентрации частиц N в атмосфере. Существует зависимость между а и и„ по которой можно определить наличие малых примесей аэрозольных частиц в атмосфере.

Основным источником ионизации атмосферы являются косми­ческие лучи, радиоактивные вещества Земли и воздуха, УФ и кор­пускулярное излучение Солнца. Космические лучи действуют по всей толще атмосферы. Радиоактивные вещества, находящиеся в Земле, в основном, ионизируют приземный слой атмосферы и с вы­сотой этот источник ионизации резко убывает. Радиоактивные ве­щества, находящиеся в воздухе, ионизируют атмосферу до высот, примерно в несколько километров. Ионизирующее действие УФ и корпускулярного излучений Солнца проявляется в слоях верхней атмосферы.

В атмосфере, в основном, текут токи проводимости, конвектив­ные токи и токи диффузии. Ток проводимости с плотностью i_n под влиянием электрического поля Ё течет в атмосфере вертикально вниз к Земле:

При учете поверхности Земли величдна суммарного тока прово­димости достигает 1800 А. Плотность тока проводимости по высо­те примерно постоянна. Небольшие отклонения наблюдаются в слое перемешивания. Здесь токи проводимости, конвективные токи переноса и токи диффузии сравнимы друг с другом. Поскольку в стационарных условиях суммарная плотность тока не изменяется с высотой, поэтому в слое перемешивания сумма всех токов до­стигает значения тока проводимости на больших высотах.

Антропогенная деятельность приводит к значительным измене­ниям локальных электрических характеристик атмосферы по срав­нению с глобальными вековыми характеристиками. Увеличение аэрозольных примесей в атмосфере приводит к увеличению Ё и уменьшению а в слое перемешивания. Напротив, испытания атомного и ядерного оружия привели к увеличению ионизации атмосферы, а, следовательно, к увеличению а и уменьшению Е. Влияние антропогенной деятельности впоследствии все больше бу­дет сказываться на атмосферно-электрические характеристики.

Источниками атмосферного электричества в локальных област­ях являются извержения вулканов, торнадо, метели, пылевые бури, разбрызгивание морских волн и водопадов, облака, осадки, па­ровые и дымовые образования природного и техногенного проис­хождения и т. д. При этом электризация атмосферы происходит весьма бурно, что приводит к возникновению грозовых явлений. Наибольший вклад в электризацию атмосферы вносят облака и осадки. В слоисто-кучевых облаках плотность объемных зарядов достигает значения р=10~¹⁰ Кл/км³, что примерно на порядок больше плотности зарядов в чистой невозмущенной атмосфере. Напряженность электрического поля Ё в облаках достигает 100 —

300 В/м. Отдельные капли несут заряд q=lO — ЮОе. В нижней области облака находятся отрицательные заряды, а верхние об­ласти облака заряжены положительно. В дождевых облаках приве­денные выше величины превышают в несколько раз аналогичные величины слоисто-кучевых облаков. Например, заряды капель осад­ков достигают значения q= 10^s — 10^б е (е — заряд электрона).

С осадками на Землю устремляются электрические заряды плот­ностью порядка 10~¹² — 10~^и А/м². На широтах ближе к экватору это значение плотности токов растет. В кучево-дождевых облаках при ливне средние значения р, Ем. q достигают величин: р = (0,3 —

10) 10~⁹ Кл/м³; Ё={\ — 5) 10* В/м;?=10² — 5 10² е. В кучево-дождевых облаках при грозе эти параметры имеют следующие значения: р=(3 — 30) Ю"⁹ Кл/м³; Е=(5 — 20)-10⁴ В/м;?= 10^б —

10⁷ е. В грозовых облаках имеются экстремумы Ё и р, величина которых на порядок превышает средние значения этих параметров. В зонах экстремумов Е зарождаются молнии. В грозовых облаках плотности токов на порядок больше плотности в ливневых облаках. Суммарный ток, текущий на земную поверхность от одного грозо­вого облака, примерно равен 0,1 А (в наших широтах) и достигает 1 А в районах экватора.

Изучение электрических процессов в атмосфере и контроль за состоянием атмосферы имеют большое значение для экологии как с точки зрения биологического действия атмосферного эле­ктричества, так и с точки зрения уменьшения его вредного и опас­ного воздействия на различные техногенные объекты (сооружения, промышленные установки, авиацию, линии связи и электропередач и т. п.). Электрические процессы, происходящие в атмосфере, обусловлены не только статическим электричеством и электромаг­нитным, космическим и солнечным излучением, но и сами облака являются источниками радиоизлучения [18]. Атмосферное элект­ричество проявляется в виде разнообразных явлений, из которых видное место занимают молнии.