Атмосферное электричество описывает электрические заряды в атмосфере Земли (или другой планеты). Движение заряда между поверхностью Земли, атмосферой и ионосферой известно как глобальная атмосферная электрическая цепь. Атмосферное электричество — междисциплинарная тема с долгой историей, включающая концепции из электростатики, физики атмосферы, метеорологии и науки о Земле.
Грозы действуют как гигантская батарея в атмосфере, заряжая электросферу примерно до 400 000 вольт по отношению к поверхности. Это создает электрическое поле по всей атмосфере, которое уменьшается с увеличением высоты. Атмосферные ионы, создаваемые космическими лучами и естественной радиоактивностью, движутся в электрическом поле, поэтому через атмосферу протекает очень слабый ток, даже вдали от гроз. Вблизи поверхности Земли магнитуда поля в среднем составляет около 100 В / м,ориентированного таким образом, что оно притягивает положительные заряды вниз.
Искры, вылетающие из электрических машин и из лейденских банок, подсказали ранним экспериментаторам Хауксби, Ньютону, Уоллу, Нолле и Грею, что молния вызывается электрическими разрядами. В 1708 году доктор Уильям Уолл был одним из первых, кто заметил, что искровые разряды напоминают миниатюрные молнии, после наблюдения искр от заряженного кусочка янтаря.
ЭкспериментыБенджамина Франклина показали, что электрические явления в атмосфере принципиально не отличаются от тех, которые наблюдаются в лаборатории, перечислив множество 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 выдвинул гипотезу о том, что электричество можно получать из облаков с помощью высокой металлической антенны с острым концом. Прежде чем Франклин смог провести свой эксперимент, в 1752 году Томас-Франсуа Далибар соорудил в Марли-ла-Вилль, недалеко от Парижа, 40-футовый (12 м) железный стержень, высекающий искры из пролетающего облака. С помощью антенн с изоляцией от земли экспериментатор мог поднести заземленный провод с изолированной восковой ручкой поближе к антенне и наблюдать искровой разряд от антенны к проводу заземления. В мае 1752 года Далибард подтвердил правильность теории Франклина.
Примерно в июне 1752 года Франклин, как сообщается, провел свой знаменитый эксперимент с воздушным змеем. Эксперимент с воздушным змеем был повторен Ромасом, который извлек из металлической нити искры длиной 9 футов (2,7 м), и Кавалло, который сделал много важных наблюдений за атмосферным электричеством. Лемонье (1752) также воспроизвел эксперимент Франклина с антенной, но заменил провод заземления несколькими частицами пыли (проверка притяжения). Далее он задокументировал благоприятные погодные условия, электрификацию атмосферы в ясный день и ее суточные колебания. Беккариа (1775) подтвердил данные Лемонье о суточных колебаниях и определил, что полярность заряда атмосферы в хорошую погоду положительна. Соссюр (1779) записал данные, относящиеся к индуцированному заряду проводника в атмосфере. Прибор Соссюра (который содержал две маленькие сферы, подвешенные параллельно на двух тонких проводах) был предшественником электрометра. Соссюр обнаружил, что наэлектризованность атмосферы при ясной погоде изменяется ежегодно и что она также зависит от высоты. В 1785 году Кулон открыл электропроводность воздуха. Его открытие противоречило господствовавшему в то время мнению о том, что атмосферные газы являются изоляторами (каковыми они в некоторой степени и являются, или, по крайней мере, не очень хорошими проводниками, когда они не ионизированы). Эрман (1804) выдвинул теорию о том, что Земля заряжена отрицательно, а Пельтье (1842) проверил и подтвердил идею Эрмана.
Несколько исследователей внесли свой вклад в расширение знаний об атмосферных электрических явлениях. Фрэнсис Рональдс начал наблюдать за градиентом потенциала и воздушно-земными течениями примерно в 1810 году, включая непрерывные автоматические записи.[7] Он возобновил свои исследования в 1840-х годах в качестве первого почетного директора обсерватории Кью, где был создан первый расширенный и всеобъемлющий набор данных об электрических и связанных с ними метеорологических параметрах. Он также поставлял свое оборудование другим объектам по всему миру с целью определения границ использования атмосферного электричества в глобальном масштабе.В 1860-х годах в обсерватории Кью были введены новый водосборник Кельвина и электрометр[9], и атмосферное электричество оставалось специализацией обсерватории до ее закрытия. Когда-то для высотных измерений использовались воздушные змеи, а для подъема экспериментального оборудования в воздух до сих пор используются метеозонды или аэростаты. Первые экспериментаторы даже сами поднимались в воздух на воздушных шарах.
Хофферт (1888) идентифицировал отдельные удары молнии, направленные вниз, с помощью ранних камер. Эльстер и Гейтель, которые также работали над термоэлектронной эмиссией, предложили теорию, объясняющую электрическую структуру гроз (1885), а позже открыли радиоактивность атмосферы (1899) из-за существования положительных и отрицательных ионов в атмосфере. Покельс (1897) оценил интенсивность тока молнии, проанализировав вспышки молний в базальте (ок. 1900) и изучив оставшиеся магнитные поля, вызванные молнией.Открытия об электрификации атмосферы с помощью чувствительных электрических приборов и идеи о том, как поддерживается отрицательный заряд Земли, были сделаны в основном в 20 веке, при этом Г. К. Уилсон сыграл важную роль. Современные исследования атмосферного электричества сосредоточены главным образом на молниях, 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, в то время как заряд земной поверхности отрицательный. Это можно понимать в терминах разницы потенциалов между точкой на поверхности Земли и точкой где-то в воздухе над ней. Поскольку в хорошую погоду атмосферное электрическое поле направлено отрицательно, принято ссылаться на градиент потенциала, который имеет противоположный знак и составляет около 100 В / м на поверхности, вдали от гроз. Существует слабый ток проводимости атмосферных ионов, движущихся в атмосферном электрическом поле, около 2 пикоампер на квадратный метр, и воздух обладает слабой проводимостью из-за присутствия этих атмосферных ионов.
Разность потенциалов между ионосферой и Землей поддерживается за счет гроз, когда удары молнии переносят отрицательные заряды из атмосферы на землю.
Молнии чаще всего бьют в Демократической Республике Конго. Объединены данные за 1995-2003 годы, полученные от оптического детектора переходных процессов, и данные за 1998-2003 годы, полученные от датчика изображения молний.
Столкновения льда и града внутри кучево-дождевых облаков вызывают разделение положительных и отрицательных зарядов внутри облака, что необходимо для генерации молнии. Вопрос о том, как первоначально образуется молния, до сих пор остается предметом дискуссий: ученые изучили первопричины, начиная от атмосферных возмущений (ветра, влажности и атмосферного давления) и заканчивая воздействием солнечного ветра и энергичных частиц.
Средний разряд молнии пропускает отрицательный электрический ток в 40 килоампер (кА) (хотя некоторые разряды могут достигать 120 кА) и передает заряд в пять кулонов и энергию в 500 МДж, или энергии, достаточной для питания 100-ваттной лампочки в течение чуть менее двух месяцев. Напряжение зависит от длины разряда, при этом диэлектрический пробой воздуха составляет три миллиона вольт на метр, а длина разрядов молнии часто достигает нескольких сотен метров. Однако развитие лидера молнии — это не простой вопрос пробоя диэлектрика, и окружающие электрические поля, необходимые для распространения лидера молнии, могут быть на несколько порядков меньше, чем сила пробоя диэлектрика. 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 при мощном токе обратного хода 100 кА .[12]
Если известно количество воды, которая конденсируется в облаке и впоследствии выпадает в осадок из облака, то можно рассчитать общую энергию грозы. При средней грозе высвобождаемая энергия составляет около 10 000 000 киловатт-часов (3,6×1013 джоулей), что эквивалентно 20-килотонной ядерной боеголовке. Большая, сильная гроза может быть в 10-100 раз энергичнее.
Обычно молния разряжается мощностью 30 000 ампер при напряжении до 100 миллионов вольт и испускает свет, радиоволны, рентгеновские лучи и даже гамма-лучи. Температура плазмы при молнии может достигать 28 000 кельвинов.
Атмосферное электричество описывает электрические заряды в атмосфере Земли (или другой планеты). Движение заряда между поверхностью Земли, атмосферой и ионосферой известно как глобальная атмосферная электрическая цепь. Атмосферное электричество — междисциплинарная тема с долгой историей, включающая концепции из электростатики, физики атмосферы, метеорологии и науки о Земле.
Грозы действуют как гигантская батарея в атмосфере, заряжая электросферу примерно до 400 000 вольт по отношению к поверхности.Это создает электрическое поле по всей атмосфере, которое уменьшается с увеличением высоты. Атмосферные ионы, создаваемые космическими лучами и естественной радиоактивностью, движутся в электрическом поле, поэтому через атмосферу протекает очень слабый ток, даже вдали от гроз. Вблизи поверхности Земли магнитуда поля в среднем составляет около 100 В / м, ориентированного таким образом, что оно притягивает положительные заряды вниз.
Атмосферные заряды могут вызывать нежелательное, опасное и потенциально смертельное накопление зарядового потенциала в подвесных системах распределения электроэнергии по проводам. 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 стремится разрядиться по пути наименьшей изоляции, что может произойти, когда человек протягивает руку, чтобы включить выключатель питания или воспользоваться электрическим устройством.
Чтобы рассеять накопленный атмосферный заряд, одна сторона системы распределения электроэнергии подключается к земле во многих точках по всей системе распределения, так же часто, как и на каждом опорном столбе. Один провод, соединенный с землей, обычно называют «защитным заземлением», и он обеспечивает путь для рассеивания потенциала заряда без причинения ущерба, а также обеспечивает резервирование на случай, если какой-либо из путей заземления неисправен из-за коррозии или плохой проводимости заземления. Дополнительный электрический провод заземления, на который не подается питание, играет второстепенную роль, обеспечивая путь короткого замыкания с большим током, что приводит к быстрому перегоранию предохранителей и делает поврежденное устройство безопасным, а незаземленное устройство с поврежденной изоляцией не становится «под напряжением» от электросети и опасным для прикосновения.
Каждый трансформатор в распределительной сети переменного тока разделяет систему заземления на новый отдельный контур. Эти отдельные сети также должны быть заземлены с одной стороны, чтобы предотвратить накопление заряда внутри них относительно остальной части системы, что может привести к повреждению из-за разряда потенциалов заряда по катушкам трансформатора на другую заземленную сторону распределительной сети.