Грозовые облака как генераторы электрического поля атмосферы. Суточный и сезонный ход напряженности поля в атмосфере. Ионизация воздуха

Молнии – характерная черта зрелой грозовой тучи и грозовой активности. Возникновение молний говорит о том, что в тучах накапливаются значительные электрические заряды – 10-100 Кл (хотя и отсутствие молний отнюдь не означает, что зарядов в тучах нет). Во всех видах облаков (в слоистых и слоисто-дождевых, грозовых тучах) происходит накопление зарядов.

Уже в чистой атмосфере, где вообще нет никаких облаков, имеются свободные электрические заряды. Электропроводность атмосферы обусловлена ионами, возникающими как вследствие радиоактивности земной коры, так и действия космических лучей – потоков заряженных частиц и жесткого электромагнитного излучения, приходящих к нам из мирового пространства и в частности, от Солнца. При этом электропроводность атмосферы быстро растет с высотой. Фактически уже на высоте в 50 км воздух становится хорошим проводником, поэтому данная высота рассматривается как нижняя граница ионосферы Земли. Между ионосферой и земной поверхностью имеется разность потенциалов около 4∙10 ⁵ В, причем ионосфера заряжена положительно, а земная поверхность – отрицательно. Полный отрицательный заряд Земли (как и положительный заряд ионосферы), составляет примерно 10 ⁵ Кл. Упомянутая разность потенциалов как раз и обусловливает положительный ток, текущий через атмосферу от нижней границы ионосферы к Земле (см. рис. 1).

Напряженность поля атмосферы Е с высотой уменьшается. Наибольшее значение напряженность поля имеет вблизи земной поверхности и в условиях чистой атмосферы она равна 100 В / м.

Возникает вопрос: если от ионосферы к Земле все время течет ток, то почему Земля, а заодно и ионосфера не разрядились давным-давно? Земля неизменно сохраняет свой отрицательный заряд 10 ⁵ Кл. Дело здесь в том, что наряду с токами, непрерывно разряжающими конденсатор, образуемый нижней границей ионосферы и земной поверхностью, существуют встречные токи, которые непрерывно заряжают «конденсатор». Токи разрядки существуют в тех областях Земли, где в данный момент стоит хорошая погода, а токи зарядки возникают в области нарушенной погоды. К областям нарушенной погоды относятся области, в которых в данный момент происходят грозы, сверкают молнии. Осадки и молнии переносят положительный заряд с земной поверхности в нижнюю часть тучи, после чего он переходит в её верхнюю часть и, в конечном счете, обусловливает появление положительных токов от тучи к нижней границе ионосферы. Это и есть те самые токи зарядки. Поэтому во время грозы напряженность поля вблизи земной поверхности превышает 10 ⁴ В / м, причем поле направлено не вниз (как в случае хорошей погоды), а вверх.

Можно упрощенно создать такую модель:

Земная поверхность и нижняя граница ионосферы представляют собой обкладки гигантского сферического конденсатора, который разряжается в областях хорошей погоды и заряжается в областях грозовой активности (рис. 2).

Следует заметить, что молнии и осадки – не единственный механизм токов зарядки. Такую же роль выполняют пылевые бури, извержения вулканов, иногда также сопровождаемые молниями). Кроме того, при поверхностной напряженности 500 В / м происходят почти бесшумные электрические разряды с различных острых предметов, находящихся на поверхности: деревьев, труб, мачт и даже травы. В этом случае заряды «тихо» стекают в атмосферу, внося вклад в токи зарядки.

На рис. 2 видно, что заряды в грозовой туче распределяются следующим образом: верхняя часть тучи заряжена положительно, а нижняя – отрицательно. Центр положительных зарядов находится на высоте 7-10 км (Т = – 20-30 ˚С), центр отрицательных зарядов находится на высоте 3-4 км (Т = 0-(– 10) ˚С). Каким же образом происходит указанное перераспределение электрических зарядов в туче или облаке?

Физические механизмы разделения зарядов в туче или об лаке

1 механизм. Капля начинает падать сквозь тучу в направленном вниз поле конденсатора Земля-ионосфера (рис.1, 2). Это поле поляризует каплю так, что её верхняя часть становится заряженной отрицательно, а нижняя – положительно. На пути капли встречаются тяжелые (значит, не слишком быстрые) положительные и отрицательные ионы. При этом отрицательные ионы будут притягиваться к нижней части капли, а положительные этой частью капли будут отталкиваться в стороны (рис. 3). Положительные оттолкнутые в сторону ионы, двигаются медленнее капли, поэтому не могут притянуться к отрицательно заряженной стороне капли (они попросту не успевают за ней). В результате в процессе падения капля будет приобретать все больший отрицательный заряд. Поэтому в нижней части тучи будет накапливаться отрицательный заряд. А отброшенные в сторону +-ионы будут снесены к верхушке тучи восходящими потоками воздуха и увеличат её положительный заряд.

2 механизм. В результате обледенения верхней части тучи и действия явления термоэлектронной эмиссии получается следующее. Работа выхода электронов из частиц льда меньше, чем из частиц жидкой воды. Поэтому часть электронов более интенсивно покидает верхнюю обледенелую часть тучи (здесь образуется избыточный положительный заряд), а в нижней части, состоящей преимущественно из капель жидкости, скапливается отрицательный заряд. При этом между «контактирующими веществами» создается контактная разность потенциалов, которая начинает препятствовать дальнейшему «перераспределению» зарядов – устанавливается определенное равновесие.

3-10 механизмы. Дробление больших капель на более мелкие, столкновение водяных капелек с ледяными кристалликами, трение падающих капель о воздух и др.

2. Законы постоянного тока. Токи в твердых телах, жидкостях и газах

Среда Признаки для сравнения	Металлы	Полупроводники	Вакуум
1. Носители свободных электрических зарядов	Электроны	Электроны, «дырки»	Электроны
2. Нужен ли среде внешний источник свободных зарядов	Нет	Нет	Да
3. Модель среды (микроструктура)	Электронный газ внутри ионной решетки	Атомы с парноэлектронной ковалентной связью	Очень сильно разреженный газ
4. Механизм проводимости	Движение свободных носителей зарядов в электрическом поле
5. ВАХ (вольт-амперная характеристика)
6. Справедлив ли закон Ома? Как зависит сопротивление от напряжения?	Да. Постоянно, не зависит от напряжения	Нет. Сопротивление с ростом напряжения уменьшается	Нет. Сначала сопротивление падает, затем растет
7. Сопровождается ли ток переносом вещества?	Нет	Нет	Нет
8. Зависимость удельного сопротивления среды от температуры			–––––
9. Специфические параметры, влияющие на проводимость	Температура	Примеси, освещенность, температура	Температура катода, покрытие катода оксидами
10. Специфические явления, законы	Закон Ома, Джоуля-Ленца, сверхпроводимость	Примесная проводимость, фотопроводимость	Термоэлектронная и фотоэлектронная проводимость
11. Применение в науке и технике, проявление в природе	Нагревательные приборы, соединительные провода (передача электроэнергии от источника к потребителю), термисторы	Диоды, транзисторы, фоторезисторы, фотореле, термисторы в радиотехнике, в ЭВМ, в автоматике, в бытовых приборах (электронные часы), микрокалькуляторы	Электронные лампы, трубки, трубки – ЭЛТ (в ЭВМ, осциллографах, телевизорах), в ядерной физике (в ускорителях заряженных частиц)

Среда Признаки для сравнения	Электролиты	Газы
1. Носители свободных электрических зарядов	Ионы	Электроны, ионы
2. Нужен ли среде внешний источник свободных зарядов	Нет	Да, несамостоятельный разряд (нужен внешний ионизатор)
3. Модель среды (микроструктура)	Положительные и отрицательные ионы и молекулы растворителя	Нейтральные атомы и молекулы
4. Механизм проводимости	Движение свободных носителей зарядов в электрическом поле
5. ВАХ (вольт-амперная характеристика)
6. Справедлив ли закон Ома? Как зависит сопротивление от напряжения?	Нет.	Нет (справедлив только на начальном участке). Сопротивление растет
7. Сопровождается ли ток переносом вещества?	Да	Да
8. Зависимость удельного сопротивления среды от температуры		С повышением температуры r падает
9. Специфические параметры, влияющие на проводимость	Концентрация электролита, температура	Давление, внешний ионизатор
10. Специфические явления, законы	Законы Фарадея и Ома	Самостоятельные разряды
11. Применение в науке и технике, проявление в природе	Гальванотехника, электролитическое покрытие поверхностей металлов, очистка металлов от примесей, аккумуляторы – источники тока, гальванопластика	Газовые трубки, электросварка, лампы дневного света, МГД-генераторы, молния, полярное сияние, газовый лазер, установки термоядерного синтеза

Линейная молния и её характеристики. Шаровая молния. – см. Тарасов Л. В. Физика в природе: кн. для учащихся. – М.: Просвещение, 1988. – 351 с. (или более позднее издание), глава 6 Молния (с. 91-100), глава 7 Шаровая молния (с. 101-114).

«Паспортные данные» линейной молнии:

Длина – несколько км.

Разность потенциалов между тучей и Землей – 10 ⁵ В. (Это в 1000 раз больше разности потенциалов между поверхностью Земли и ионосферы в хорошую погоду.)

Длительность разряда молнии – 0,1 с.

Средняя сила тока при разряде – 10 ³ А.

Общий заряд, переносимый молнией – до 100 Кл (в среднем, 20 Кл).

Выделяющаяся в канале молнии энергия – 10 ⁹ –10 ¹⁰ Дж.

Видимый канал молнии имеет размер около 1 м, при этом основной ток протекает по каналу диаметром всего 1 см.

Разряд состоит из нескольких последовательных импульсов длительностью до 10 ^{– 3} с. Промежутки между импульсами порядка 10 ^{– 2} с.

Канал молнии разогревается до Т= 2∙10 ⁴ К.

Дата добавления: 2015-07-17