АТМОСФЕРНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО
1)
совокупность
электрич. явлений и процессов в атмосфере; 2) раздел физики атмосферы,
изучающий электрические явления в атмосфере и её электрич. свойства. При
исследовании А. э. изучают электрич. поле в атмосфере, её ионизацию и проводимость,
электрич. токи в ней, объёмные заряды, заряды облаков и осадков, грозовые
разряды и мн. др. Все проявления А. э. тесно связаны между собой и на их
развитие сильно влияют метеорологич. факторы - облака, осадки, метели и
т. п. К области А. э. обычно относят процессы, происходящие в тропосфере
и стратосфере.
Начало А. э. как науке было
положено в 18 в. амер. учёным Б. Франклином, экспериментально установившим
электрич. природу молнии, и рус. учёным М. В. Ломоносовым - автором первой
гипотезы, объясняющей электризацию грозовых облаков. В 20 ь. были открыты
проводящие слои атмосферы, лежащие на высоте более 60-100 км (ионосфера,
магнитосфера Земли); установлена электрическая природа полярных сияний
и обнаружен ряд др. явлений, изучению к-рых посвящены соответствующие науки,
выделившиеся из А. э. Развитие космонавтики позволило начать изучение электрических
явлений в более высоких слоях атмосферы прямыми методами. Две основные
совр. теории А. э. были созданы англ. учёным Ч. Вильсоном и сов. учёным
Я. И. Френкелем. Согласно теории Вильсона, Земля и ионосфера играют роль
обкладок конденсатора, заряжаемого грозовыми облаками. Возникающая между
обкладками разность потенциалов приводит к появлению электрического поля
атмосферы. По теории Френкеля, электрич. поле атмосферы объясняется всецело
электрич. явлениями, происходящими в тропосфере,- поляризацией облаков
и их взаимодействием с Землёй, а ионосфера не играет существенной роли
в протекании атмосферных электрич. процессов.
А. э. данного района зависит
от глобальных и локальных факторов. Районы, где отсутствуют скопления аэрозолей
и источники сильной ионизации, рассматриваются как зоны "хорошей", или
"ненарушенной" погоды, здесь преобладают глобальные факторы. В зонах "нарушенной"
погоды (в районах гроз, пыльных бурь, осадков и др.) преобладают локальные
факторы.
Э л е к т р и ч е с к о е
п о л е а т м о с ф е р ы. В
тропосфере все облака и осадки, туманы, пыль обычно электрически заряжены;
даже в чистой атмосфере постоянно существует электрич. поле. Исследования
в зонах "хорошей" погоды, начатые в 19 в., показали, что у земной поверхности
существует стационарное электрич. поле с напряжённостью Е, в среднем равной
ок. 130 в/м. Земля при этом имеет отрицат. заряд, равный ок. 3-105
к.аатмосфера в целом заряжена положительно. Однако при осадках и особенно
грозах, метелях, пылевых бурях и т. п. напряжённость поля может резко менять
направление и величину, достигая иногда 1000 в/м. Наибольшие значения Е
имеет в средних широтах, а к полюсам и экватору убывает. В зонах "хорошей"
погоды Е с высотой в целом уменьшается, напр. над океанами. Вблизи земной
поверхности, в т. н. слое перемешивания толщиной 300-3000 м, где скапливаются
аэрозоли, Е может с высотой возрастать (рис. 1). Выше слоя перемешивания
Е убывает с высотой по экспоненциальному закону и па высоте 10 км не превышает
неск. е/м. Это убывание Е связано с тем, что в атмосфере содержатся положит.
объёмные заряды, плотность к-рых также быстро убывает с высотой.
Рис. 1. Изменение напряжённости
электрич. поля Е с высотой Н. 1 - Ленинград; 2 - Киев; 3 - Ташкент.
Разность потенциалов между
Землёй и ионосферой составляет 200-2.50 кв. Напряжённость электрич. поля
Е меняется во времени. Наряду с локальными суточными и годовыми вариациями
Е отмечаются синхронные для всех пунктов суточные (см. кривые / и 2, рис.
2) и годовые вариации Е - т. н. унитарные вариации. Унитарные вариации
связаны с изменением электрич. заряда Земли в целом, локальные-с изменениями
величины и распределения по высоте объёмных электрич. зарядов в атмосфере
в данном районе.
Рис. 2. Суточный ход унитарной
вариации напряжённости электрич. поля Е: 1 - над океанами; 2 - в полярных
областях; 3 - изменение площади S, занятой грозами, в течение суток.
Электрич. проводимость атмосферы.
Электрич. состояние атмосферы в значит. степени определяется её электрич.
проводимостью X, к-рая создаётся ионами, находящимися в атмосфере. Наличие
ионов в атмосфере и является причиной потери заряда изолированным заряженным
телом при соприкосновении с воздухом (явление, открытое в конце 18 в. французским
физиком Ш. Кулоном). Электрическая проводимость X зависит от количества
ионов, содержащихся в единице объёма (их концентрации), и их подвижности.
Основной вклад в X вносят лёгкие ионы, обладающие наибольшей подвижностью
и>10- 5м2-сек-1 -в-1
.
Электрическая проводимость
атмосферы очень мала и может сравниться с проводимостью хороших изоляторов.
У земной поверхности в среднем Х = = (1-2)-10-18 ом-1-.м-1
и увеличивается с высотой примерно по экспоненциальному закону; на высоте
ок. 30 км X достигает значений, почти в 150 раз больших, чем у земной поверхности.
Выше проводимость увеличивается ещё более, причём особенно резко с высот,
до к-рых проникают ионизующие излучения Солнца и где начинается образование
ионосферы, проводимость к-рой прибл. в 1012 раз больше, чем
в атмосфере вблизи земной поверхности.
Осн. ионизаторы атмосферы:
1) кос-мич. лучи, действующие во всей толще атмосферы; 2) излучение радиоактивных
веществ, находящихся в Земле и воздухе; 3) ультрафиолетовое и корпускулярное
излучения Солнца, ионизующее действие к-рых заметно проявляется на высотах
более 50-60 км. Концентрация лёгких ионов возрастает с увеличением интенсивности
ионизации и уменьшением концентрации частиц в атмосфере, поэтому концентрация
лёгких ионов растёт с высотой. Этот факт в сочетании с увеличением подвижности
ионов при уменьшении плот ности
воздуха объясняет характер изменения X и Я с изменением высоты.
Э л е к т р и ч е с к и й
т о к в
а тм о с ф е р е. Движение ионов под действием сил электрического поля
создаёт в атмосфере вертикальный ток проводимости in=ex., со средней плотностью,
равной ок. (2-3)-10-12 а/м2. Т. о., в зонах "хорошей"
погоды сила тока на всю поверхность Земли составляет ок. 1800 а. Время,
в течение к-рого заряд Земли за счёт токов проводимости атмосферы уменьшился
бы до 4/е
А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я