Атмосферное электричество - это исследование электрических зарядов в атмосфере Земли (или другой планеты ). Движение заряда между поверхностью Земли, атмосферой и ионосферой известно как глобальная электрическая цепь атмосферы . Атмосферное электричество - это междисциплинарная тема с долгой историей, включающая концепции из электростатики , физики атмосферы , метеорологии и наук о Земле . [2]
Грозы действуют как гигантская батарея в атмосфере, заряжая электросферу примерно до 400 000 вольт по отношению к поверхности. Это создает электрическое поле во всей атмосфере, которое уменьшается с увеличением высоты . Атмосферные ионы, созданные космическими лучами и естественной радиоактивностью, движутся в электрическом поле, поэтому очень небольшой ток течет через атмосферу даже вдали от гроз. Вблизи поверхности земли величина поля в среднем составляет около 100 В / м. [3]
Атмосферное электричество включает в себя как грозы , которые создают молнии, чтобы быстро разряжать огромное количество атмосферного заряда, хранящегося в грозовых облаках, так и постоянную электризацию воздуха из-за ионизации космических лучей и естественной радиоактивности , которые гарантируют, что атмосфера никогда не будет полностью нейтральной. [4]
История
Искры , исходящие от электрических машин и лейденских сосудов, предположили ранним экспериментаторам, Хоксби , Ньютону , Уоллу, Ноллету и Грею , что молния была вызвана электрическими разрядами. В 1708 году доктор Уильям Уолл был одним из первых, кто заметил, что искровые разряды напоминают миниатюрную молнию, после наблюдения искр от заряженного куска янтаря .
Эксперименты Бенджамина Франклина показали, что электрические явления в атмосфере принципиально не отличаются от тех, что производятся в лаборатории , путем перечисления многих сходств между электричеством и молнией. К 1749 году Франклин обнаружил, что молния обладает почти всеми свойствами, наблюдаемыми в электрических машинах.
В июле 1750 года Франклин предположил, что электричество можно брать из облаков через высокую металлическую антенну с острым концом. Прежде чем Франклин смог провести свой эксперимент, в 1752 году Томас-Франсуа Далибар установил 40-футовый (12-метровый) железный стержень в Марли-ла-Виль , недалеко от Парижа, который собирал искры из проходящего облака. С наземными - изолированными антеннами, экспериментатор может привести к заземленному свинца с изолированной восковой ручкой близко к антенне, и наблюдать искровой разряд от антенны к заземляющему проводу. В мае 1752 года Далибард подтвердил, что теория Франклина верна.
Сообщается, что примерно в июне 1752 года Франклин провел свой знаменитый эксперимент с воздушным змеем. Эксперимент с воздушным змеем повторили Ромас, который извлек из металлической струны искры длиной 9 футов (2,7 м), и Кавалло , сделавший много важных наблюдений за атмосферным электричеством. Лемонье (1752 г.) также воспроизвел эксперимент Франклина с антенной, но заменил заземляющий провод частицами пыли (испытание притяжения). Далее он задокументировал ясные погодные условия , электризацию атмосферы в ясный день и ее суточные колебания. Беккариа (1775) подтвердил данные о суточных колебаниях Лемонье и определил, что полярность заряда атмосферы в хорошую погоду положительна. Соссюр (1779) записал данные, относящиеся к индуцированному заряду проводника в атмосфере. Инструмент Соссюра (который содержал две маленькие сферы, подвешенные параллельно на двух тонких проволоках) был предшественником электрометра . Соссюр обнаружил, что электризация атмосферы в ясных погодных условиях имеет годовые колебания, а также зависит от высоты. В 1785 году Кулон открыл электрическую проводимость воздуха. Его открытие противоречило господствовавшей в то время мысли о том, что атмосферные газы являются изоляторами (которые в некоторой степени являются или, по крайней мере, не очень хорошими проводниками, когда они не ионизированы ). Эрман (1804) предположил, что Земля заряжена отрицательно, а Пельтье (1842) проверил и подтвердил идею Эрмана.
Несколько исследователей внесли свой вклад в растущий объем знаний об атмосферных электрических явлениях. Фрэнсис Рональдс начал наблюдать градиент потенциала и воздушно-земные течения около 1810 года, в том числе делал непрерывные автоматизированные записи . [5] Он возобновил свои исследования в 1840-х годах в качестве первого почетного директора обсерватории Кью , где был создан первый расширенный и всеобъемлющий набор данных по электрическим и связанным с ними метеорологическим параметрам. Он также поставлял свое оборудование на другие объекты по всему миру с целью определения атмосферного электричества в глобальном масштабе. [6] Новый коллектор-капельница Кельвина и электрометр с разделенным кольцом [7] были представлены в обсерватории Кью в 1860-х годах, и атмосферное электричество оставалось специальностью обсерватории до ее закрытия. Когда -то для высотных измерений использовались воздушные змеи , а для подъема экспериментального оборудования в воздух до сих пор используются метеорологические шары или аэростаты . Первые экспериментаторы даже взлетали на воздушных шарах .
Хофферт (1888) идентифицировал отдельные нисходящие удары молнии, используя ранние камеры. [8] Эльстер и Гейтель , которые также работали над термоэлектронной эмиссией , предложили теорию, объясняющую электрическую структуру гроз (1885 г.), а позже открыли атмосферную радиоактивность (1899 г.) благодаря наличию в атмосфере положительных и отрицательных ионов . [9] Поккельс (1897) оценил силу тока молнии , анализируя вспышки молний в базальте (ок. 1900 г.) [10] и изучая оставшиеся магнитные поля, вызванные молнией. [11] Открытия электрификации атмосферы с помощью чувствительных электрических инструментов и идеи о том, как поддерживается отрицательный заряд Земли, были разработаны в основном в 20-м веке, при этом важную роль сыграл CTR Wilson . [12] [13] Текущие исследования атмосферного электричества сосредоточены в основном на молнии, особенно высокоэнергетических частицах и кратковременных световых явлениях, а также на роли электрических процессов, не связанных с грозой, в погоде и климате.
Описание
Атмосферное электричество присутствует всегда, и в хорошую погоду вдали от гроз воздух над поверхностью Земли заряжен положительно, а заряд поверхности Земли отрицательный. Это можно понять с точки зрения разницы потенциалов между точкой на поверхности Земли и точкой где-то в воздухе над ней. Поскольку в хорошую погоду атмосферное электрическое поле имеет отрицательное направление, принято относиться к градиенту потенциала, который имеет противоположный знак и составляет около 100 В / м на поверхности. Потенциальный градиент в большинстве мест намного ниже, чем это значение, потому что это среднее значение заряда, создаваемого каждой грозой и атмосферным возмущением по всему земному шару. [4] Существует слабый ток проводимости атмосферных ионов, движущихся в атмосферном электрическом поле, около 2 пикоАмпер на квадратный метр, и воздух является слабопроводящим из-за присутствия этих атмосферных ионов.
Вариации
Глобальные суточные циклы атмосферного электрического поля с минимумом около 03 UT и максимумом примерно через 16 часов были исследованы Вашингтонским институтом Карнеги в 20-м веке. Это изменение кривой Карнеги [14] было описано как «фундаментальное электрическое сердцебиение планеты». [15]
Даже вдали от гроз атмосферное электричество может сильно изменяться, но, как правило, электрическое поле усиливается в тумане и пыли, тогда как электрическая проводимость атмосферы снижается.
Связи с биологией
Градиент атмосферного потенциала приводит к потоку ионов из положительно заряженной атмосферы на отрицательно заряженную поверхность земли. Над ровным полем в день с чистым небом градиент атмосферного потенциала составляет примерно 120 В / м. [16] Объекты, выступающие из этих полей, например цветы и деревья, могут увеличивать напряженность электрического поля до нескольких киловольт на метр. [17] Эти приповерхностные электростатические силы обнаруживаются такими организмами, как шмели, чтобы перемещаться к цветам [17] и паук, чтобы начать рассредоточение путем надувания на воздушном шаре. [16] Также считается, что градиент атмосферного потенциала влияет на подповерхностную электрохимию и микробные процессы. [18]
Рядом с космосом
Electrosphere слой (от нескольких десятков километров над поверхностью Земли до ионосферы) имеет высокую электропроводность , и, по существу , на постоянном электрическом потенциале. Ионосфера является внутренним краем магнитосферы и является частью атмосферы , которая ионизируется солнечным излучением. ( Фотоионизация - это физический процесс, при котором фотон падает на атом, ион или молекулу, что приводит к выбросу одного или нескольких электронов.) [19]
Космическое излучение
Земля и почти все живое на ней постоянно бомбардируются радиацией из космоса. Это излучение в основном состоит из положительно заряженных ионов от протонов до железа и более крупных ядер, полученных из источников за пределами Солнечной системы . Это излучение взаимодействует с атомами в атмосфере, создавая воздушный поток вторичного ионизирующего излучения, включая рентгеновские лучи , мюоны , протоны , альфа-частицы , пионы и электроны . Ионизация из-за этого вторичного излучения гарантирует, что атмосфера является слабопроводящей, и что небольшой ток, протекающий от этих ионов по поверхности Земли, уравновешивает ток, протекающий от гроз. [3] Ионы имеют характерные параметры, такие как подвижность , время жизни и скорость генерации, которые меняются с высотой .
Грозы и молнии
Разность потенциалов между ионосферой и Землей поддерживаются грозами , с молнией доставки отрицательных зарядов из атмосферы на землю.
Столкновения льда и мягкого града (крупа) внутри кучево-дождевых облаков вызывают разделение положительных и отрицательных зарядов в облаке, что необходимо для генерации молний. Как изначально образуется молния, до сих пор остается предметом споров: ученые изучили основные причины, начиная от атмосферных возмущений (ветер, влажность и атмосферное давление ) до воздействия солнечного ветра и энергетических частиц.
Средняя молния переносит отрицательный электрический ток 40 кА (хотя некоторые болты могут достигать 120 кА) и передает заряд в пять кулонов и энергию 500 МДж , или энергию, достаточную для питания 100-ваттного лампочку чуть меньше двух месяцев. Напряжение зависит от длины болта, при этом диэлектрический пробой воздуха составляет три миллиона вольт на метр, а длина молний часто составляет несколько сотен метров. Однако создание лидера молний - это не простой вопрос пробоя диэлектрика, и окружающие электрические поля, необходимые для распространения лидера молний, могут быть на несколько порядков меньше, чем прочность диэлектрического пробоя. Кроме того, градиент потенциала внутри хорошо развитого канала обратного хода составляет порядка сотен вольт на метр или меньше из-за интенсивной ионизации канала, что приводит к истинной выходной мощности порядка мегаватт на метр для энергичного возврата. рабочий ток 100 кА. [10]
Если известно количество воды, которая конденсируется в облаке и впоследствии выпадает из него, то можно рассчитать общую энергию грозы. При средней грозе выделяемая энергия составляет около 10 000 000 киловатт-часов (3,6 × 10 13 джоулей ), что эквивалентно ядерной боеголовке мощностью 20 килотонн . Сильная и сильная гроза может быть в 10-100 раз более мощной.
Коронные разряды
Огонь Святого Эльма - это электрическое явление, при котором светящаяся плазма создается корональным разрядом, исходящим от заземленного объекта . Шаровую молнию часто ошибочно называют огнем Святого Эльма, хотя это отдельные и разные явления. [21] Огонь Святого Эльма, хотя и именуется «огнем», на самом деле является плазмой и наблюдается, как правило, во время грозы на вершинах деревьев, шпилей или других высоких объектах или на головах животных, как кисть или звезда света.
Корона вызывается электрическим полем вокруг рассматриваемого объекта, ионизирующим молекулы воздуха, что создает слабое свечение, которое хорошо видно в условиях низкой освещенности. Приблизительно 1000 - 30 000 вольт на сантиметр требуется, чтобы вызвать огонь Святого Эльма; однако это зависит от геометрии рассматриваемого объекта. Острые точки, как правило, требуют более низких уровней напряжения для получения того же результата, потому что электрические поля более сконцентрированы в областях с высокой кривизной, поэтому разряды более интенсивны на концах заостренных предметов. И огонь Святого Эльма, и обычные искры могут появиться при воздействии высокого электрического напряжения на газ. Огонь Святого Эльма наблюдается во время грозы, когда земля под грозой электрически заряжена, а в воздухе между облаком и землей находится высокое напряжение. Напряжение разрывает молекулы воздуха, и газ начинает светиться. Азот и кислород в атмосфере Земли заставляют Огонь Святого Эльма флуоресцировать синим или фиолетовым светом; это похоже на механизм, который заставляет светиться неоновые вывески.
Полость Земля-Ионосфера
В резонансы Шумана представляют собой набор пиков спектра в крайне низкой частоты (ELF) части спектра электромагнитного поля Земли. Резонанс Шумана возникает из-за того, что пространство между поверхностью Земли и проводящей ионосферой действует как волновод . Ограниченные размеры Земли заставляют этот волновод действовать как резонатор для электромагнитных волн. Полость естественно возбуждается энергией от ударов молнии. [22]
Заземление электрической системы
Атмосферные заряды могут вызвать нежелательное, опасное и потенциально смертельное накопление зарядов в подвешенных системах распределения электропитания. Оголенные провода, подвешенные в воздухе на многие километры и изолированные от земли, могут накапливать очень большие накопленные заряды при высоком напряжении, даже когда нет грозы или молнии. Этот заряд будет стремиться разрядиться по пути наименьшей изоляции, что может произойти, когда человек протягивает руку, чтобы активировать выключатель питания или использовать электрическое устройство.
Чтобы рассеять накопление атмосферного заряда, одна сторона электрической распределительной системы подключена к земле во многих точках распределительной системы так же часто, как и на каждой опорной стойке . Один заземленный провод обычно называют «защитным заземлением», он обеспечивает путь для рассеивания потенциала заряда, не вызывая повреждений, и обеспечивает резервирование на случай, если какой-либо из путей заземления плохой из-за коррозии или плохой проводимости земли. . Дополнительный электрический заземляющий провод, на который не подается питание, выполняет второстепенную роль, обеспечивая путь сильноточного короткого замыкания для быстрого срабатывания предохранителей и обеспечения безопасности поврежденного устройства, вместо того, чтобы незаземленное устройство с поврежденной изоляцией стало "электрически активным" через электросети и опасны для прикосновения.
Каждый трансформатор в распределительной сети переменного тока сегментирует систему заземления в новый отдельный контур цепи. Эти отдельные сети также должны быть заземлены с одной стороны, чтобы предотвратить накопление заряда внутри них по сравнению с остальной частью системы, что может вызвать повреждение из-за разряда зарядных потенциалов через катушки трансформатора на другую заземленную сторону распределительной сети.
Смотрите также
- Общий
- Физика атмосферы
- Ионосфера
- Качество воздуха
- Ракета-молния
- Электромагнетизм
- Магнитное поле Земли
- Спрайты и молния
- Уистлер (радио)
- Теллурический ток
- Другой
- Электродинамический трос
- Солнечная радиация
Ссылки и внешние статьи
Цитаты и примечания
- ^ См. Вспышки в небе: всплески гамма-излучения Земли, вызванные молнией
- ^ Чалмерс, Дж. Алан (1967). Атмосферное электричество . Pergamon Press.
- ^ а б Харрисон, Р.Г. (1 января 2011 г.). «При ясной погоде атмосферное электричество» . Журнал физики: Серия конференций . 301 (1): 012001. Bibcode : 2011JPhCS.301a2001H . DOI : 10.1088 / 1742-6596 / 301/1/012001 . ISSN 1742-6596 .
- ^ а б «Поглощение атмосферным электричеством» . 17 марта, 2008. Архивировано из оригинального 17 -го марта 2008 года . Проверено 31 октября 2018 года .
- ^ Рональдс, Б.Ф. (2016). Сэр Фрэнсис Рональдс: отец электрического телеграфа . Лондон: Imperial College Press. ISBN 978-1-78326-917-4.
- ^ Рональдс, Б.Ф. (июнь 2016 г.). «Сэр Фрэнсис Рональдс и первые годы обсерватории Кью». Погода . 71 (6): 131–134. Bibcode : 2016Wthr ... 71..131R . DOI : 10.1002 / wea.2739 .
- ^ Аплин, КЛ; Харрисон, Р.Г. (3 сентября 2013 г.). «Измерения атмосферного электричества лорда Кельвина» . История гео- и космических наук . 4 (2): 83–95. arXiv : 1305,5347 . Bibcode : 2013HGSS .... 4 ... 83A . DOI : 10,5194 / hgss-4-83-2013 . ISSN 2190-5010 . S2CID 9783512 .
- ^ Труды физического общества: тома 9-10. Институт физики и физического общества, Физическое общество (Великобритания), Физическое общество Лондона, 1888. Прерывистые молнии. Автор HH Hoffert. Стр.176 .
- ^ Фрике, Рудольф Г.А.; Шлегель, Кристиан (4 января 2017 г.). "Юлиус Эльстер и Ганс Гейтель - Диоскуры физиков и пионеры исследователей атмосферного электричества" . История гео- и космических наук . 8 (1): 1–7. Bibcode : 2017HGSS .... 8 .... 1F . DOI : 10,5194 / hgss-8-1-2017 . ISSN 2190-5010 .
- ^ a b Владимир А. Раков, Мартин А. Уман (2003) Молния: физика и эффекты . Издательство Кембриджского университета
- ^ Базальт, будучи ферромагнитным минералом, становится магнитно поляризованным при воздействии большого внешнего поля, например, создаваемого при ударе молнии. См. Дополнительную информацию в разделе « Аномальная остаточная намагниченность базальта» на pubs.usgs.gov/bul/1083e/report.pdf.
- ^ Энциклопедия геомагнетизма и палеомагнетизма - Страница 359
- ^ Харрисон, Джайлз (1 октября 2011 г.). «Камера Вильсона и наследие CTR Вильсона для науки об атмосфере» (PDF) . Погода . 66 (10): 276–279. Bibcode : 2011Wthr ... 66..276H . DOI : 10.1002 / wea.830 . ISSN 1477-8696 .
- ^ Харрисон, Р. Джайлс (2012). «Кривая Карнеги» (PDF) . Исследования по геофизике . 34 (2): 209–232. Bibcode : 2013SGeo ... 34..209H . DOI : 10.1007 / s10712-012-9210-2 . S2CID 29093306 .
- ^ Liz Kalaugher, Атмосферное электричество влияет на высоты облаков 3 марта 2013, physicsworld.com»доступ к 15 апреля 2021
- ^ а б Морли, Эрика Л .; Роберт, Дэниел (2018). «Электрические поля вызывают у пауков полеты на воздушном шаре» . Текущая биология . 28 (14): 2324–2330.e2. DOI : 10.1016 / j.cub.2018.05.057 . PMC 6065530 . PMID 29983315 .
- ^ а б Кларк, Доминик; Уитни, Хизер; Саттон, Грегори; Роберт, Дэниел (2013). «Обнаружение и изучение цветочных электрических полей шмелями». Наука . 340 (6128): 66–69. Bibcode : 2013Sci ... 340 ... 66C . DOI : 10.1126 / science.1230883 . ISSN 0036-8075 . PMID 23429701 . S2CID 23742599 .
- ^ Охота, Эллард Р .; Харрисон, Р. Джайлс; Брудер, Андреас; ван Бодегом, Питер М .; van der Geest, Harm G .; Kampfraath, Andries A .; Форенхаут, Мишель; Адмираал, Вим; Куселл, Каспер; Гесснер, Марк О. (2019). «Атмосферное электричество, влияющее на биогеохимические процессы в почвах и отложениях» . Границы физиологии . 10 : 378. DOI : 10,3389 / fphys.2019.00378 . ISSN 1664-042X . PMC 6477044 . PMID 31040789 .
- ^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Онлайн исправленная версия: (2006–) « фотоионизация ». DOI : 10,1351 / goldbook.P04620
- ^ Харрисон, Р.Г.; Barth, E .; Эспозито, Ф .; Merrison, J .; Montmessin, F .; Аплин, КЛ; Борлина, Ц .; Бертелье, JJ; Депрес, Г. (12 апреля 2016 г.). "Применение наэлектризованной пыли и электродинамики пылевого дьявола к марсианскому атмосферному электричеству" . Обзоры космической науки . 203 (1–4): 299–345. Bibcode : 2016SSRv..203..299H . DOI : 10.1007 / s11214-016-0241-8 . ISSN 0038-6308 .
- ^ Барри, JD (1980a) Шаровая молния и бусовая молния: экстремальные формы атмосферного электричества . 8–9. Нью-Йорк и Лондон: Plenum Press. ISBN 0-306-40272-6
- ^ «НАСА - резонанс Шумана» . www.nasa.gov . Проверено 31 октября 2018 года .
Другое чтение
- Ричард Э. Орвилл (редактор), " Атмосферное и космическое электричество ". (Виртуальный журнал «Выбор редакции» ) - « Американский геофизический союз ». ( AGU ) Вашингтон, округ Колумбия 20009-1277 США
- Schonland, BFJ, " Атмосферное электричество ". Метуэн и Ко., Лтд., Лондон, 1932 г.
- МакГорман, Дональд Р., У. Дэвид Раст, Д. Р. Макгорман и В. Д. Раст, « Электрическая природа штормов ». Oxford University Press, март 1998 г. ISBN 0-19-507337-1
- Волланд, Х., " Атмосферная электродинамика" , Springer, Berlin, 1984.
Сайты
- « Международная комиссия по атмосферному электричеству ». Комиссия Международной ассоциации метеорологии и физики атмосферы.
- « Сила из воздуха ». Наука и изобретения (бывший специалист по электрическим экспериментам ), март 1922 г. (nuenergy.org).
- « Радиочастотная энергия через ионосферу ». Концепции радиочастотной энергии, разд. 101 Rev. Ноябрь 2003 г.
- Петер Винклер, « Ранние наблюдения и знания о воздушном электричестве и магнетизме в Хоэнпейсенберге во времена Палатины ». Метеорологическая служба Германии, Метеорологическая обсерватория. ( PDF )
- Космические лучи вызывают молнии? Спросите экспертов - sciam.com 24 января 2008 г.
дальнейшее чтение
- Джеймс Р. Уэйт , Некоторые основные электромагнитные аспекты вариаций УНЧ поля в атмосфере . Journal Pure and Applied Geophysics, Volume 114, Number 1 / January, 1976 Pages 15–28 Birkhäuser Basel ISSN 0033-4553 (Print) 1420-9136 (Online) DOI 10.1007 / BF00875488
- Национальный исследовательский совет (США) и Американский геофизический союз. (1986). Электрическая среда Земли . Вашингтон, округ Колумбия: Национальная академия президента
- Солнечная динамика и ее влияние на гелиосферу и Землю. Автор Д. Н. Бейкер, Международный институт космических наук.
- Изменчивость солнечной энергии, погода и климат Национальным исследовательским советом (США). Комитет по изучению геофизики
- Кри, Чарльз (1911). . В Чисхолме, Хью (ред.). Британская энциклопедия . 2 (11-е изд.). Издательство Кембриджского университета. С. 860–870. Это дает подробный обзор явлений, как их понимали в начале 20 века.
Внешние ссылки
- Электрический ток через атмосферу
- Глобальный контур , Phys.uh.edu
- Поглощение атмосферного электричества Измерения «хорошей погоды», важные для понимания гроз. science.nasa.gov
- Домашняя страница "Атмосферное электричество" , uah.edu
- Tjt, Атмосферное электричество при хорошей погоде . ava.fmi.fi
- Домашняя страница Международной комиссии по атмосферному электричеству (ICAE)