Фейнман - 05. Электричесво и магнетизм (1055667), страница 33
Текст из файла (страница 33)
Это происходит на высоте около 50 кч. Зто еще не так высоко, как то, что называют «ионосферой», где имеется очень большое количество ионов, образуемых за счет фотоэффекта от солнечных лучей. Для наших целей можно, обсуждая свойства атмосферного электричества, считать, что на высоте примерно 50 ям воздух становится достаточно проводящим и там существует практически проводящая сфера, из которой вытекают вниз токи. Ноложение дел изображено на фиг. 9.4. Вопрос в том, как держится там положительный заряд. Как он накачи- 170 Выгп пап провагиыосмь Оо и г.
О.О, Tпп~ссные характеристики глекгпричгских свойюпв чистой атмосферы. ! Тое = 1О по/мг 4РОООов Уроеееьм Поверхность земли Е(вяк1 мо ио (ОО ср и г. О.о, Средняя суточная вариация градиентп потснэиала атьтсьосры в ясную погоду нае океанами. о и 1г Часы (пс Гровса 71 177 вается обратно? Раз он стекает на Земльо, то должен же он как-то перекачиваться обратно! Долгое время это было одной из главных загадок атмосферного электричества.
Любая информация на этот счет может дать кльоч к загадке или по крайней мере хоть что-то сообщить о ней. Вот одно интересное явление: если мы изморяем ток (а он, как мы знаем, устойчивее, чем градиент потенциала), скажем над морем, и при тщательном соблюдении предосторожностей, очень аккуратно все усредняем и избавляемся от всяких ошибок, то мы обнаруживаем, что остаются все же какие то суточные вариации.
Среднее по многим измерениям над океанами обладает временнон вариацией примерно такой, какая показана на фиг, 9.5. Ток меняется приблизительно на ыт15об и достигает наибольшего значения в 7 часов вечера по лондонскому времена. Самое странное здесь то, что, где бы ем ни измеряли ток — в Атлантическом лн океане, в Тихом лн или в Ледовитом, — его часы пик бывают тогда, когда часы в Лондоне показывают 7 вечера! Повсюду во всем мире ток достигает ыаксимума в 19.00 по лондонскому времени, а минимума — в (и00 по тому же времени.
Иныьш словами, ток зависит от абсолютного земного времени, а не оссь месвьного времени в точке наблюдения. В одном отношении это все же не так уж странно; это вполне сходится с нашим представлением о том, что на самом верху имеется очень большая горизонтальная проводимость, которая и исключает местные изменения разности потенциалов между Землей и верхом. Любые изменения потенциала должны быть всемирными, и так оно и есть. Итак, теперь мы знаем, что напряжение «вверху» с измененкем абсолютного земного времени то подымается, то падает на 15««. ф 3.
Про««с«соз«сден««е токов е о«ил»осйбере Теперь нужно ответить на вопрос об источнике больших отрицательных токов, которые должны течь от «верха» к земяоп поверхности, чтобы поддержать ее отрицательный заряд. Где же те батареи, которые это делают? «Батарея» показана на фиг. 9.6. Это гроза или вернее молнии. Оказывается, вспышки молний ие «разряжают» той разности потенциал ов, о которой» ы говорили (и как могло бы на первый взгляд показаться). Молнии снабжают Землю отрицательным зарядом. Если мы увидали молнию, то можно поспорить на десять против одного, что она привела на Землю болыпое количество отрицательных зарядов, Именно грозы заряжают Землю в среднем током в 1800 а электричества, которое затем разряжается в районах с хорошей погодой. На Земле каждые сутки гремит около 300 гроз.
Их-то и можно считать томи батареями, которые накачивают электричество в верхнио слои атмосферы и сохраняют разность потенциалов. А теперь учтите географию — полуденные грозы в Бразилии, тропические — в Африке и т. д. Ученые сделали оцеш;и того, сколы«о молнии ежесекундно бьет з Землю; нужно лп говорить, что их оценки более или менее согласуются с измерениями разности потенциалов: общая степень грозовой деятельности достигает на всей Земле максимума в 19.00 по лондонскому времени. Однако оценки грозовой деятел ьности делать очень трудно; сделаны они были только после того, как стало известно, что такио вариации должны существовать. Трудность заключается в том, что в океанах, да и повсюду в мире ие хватает наблюдений, их мало, чтобы точно установить число гроз.
Но те ученые, которые думают, что они «все учли правильно», уверяют, что максимум деятельности приходится яа 19.00 по гринзичскому сред- ному времени. Чтобы понять, как работают зти батареи, попробуем разобраться в грозе поглубже. Что происходит внутри грозыб Опишем грозу так, как ее сейчас представляют. Когда мы вникаем в необыкновенное явление природы (а не в зти столь изящно нами разобранные идеальные сферы из идеальных проводников, помещенных внутри других сфер), мы открываем, что не так уж «тя Ф и г. 9.6, Меканиэк, создающий электрическое поле атлтсосеры. много знаем. А это все очень интересно.
Гроза не оставляет человека равнодушным: она пугает его или восхищает; в общем возбуждает в нем какие-то чувства. Л там, где в природе появляются чувства, обычно сразу всплывает п сложность природы и ее таинственность. Нет никакой воаможности точно описать, как происходит гроза, мы пока мало об этом знаем. Но мы все же попробуем немножко рассказать о том, чтб происходит.
ф А Гуоаь« Прежде всего следует сказать, что обычная гроза состоит из множества «ячеею>, тесно примыкающих друг к другу, по почти независимых. Поэтому достаточно проанализировать одну из пих. Под «ячейкой» мы подразумеваем область (имеющую в горизонтальном направлении ограниченную протяженность), в которой происходят гсе основные процессы. Обычно имеется несколько ячеек, расположенных одна возле другой, а в каждой из них творится примерно одно и то же, разве что с некоторым сдвигом во времени. На фиг.
э.7 в идеализированном виде представлена ячейка в начальный периодгрозы. Оказывается, что в воздухе в некотором месте и при некоторых условиях (мы их вскоре опишем) существует восходящий ток, все более убыстряющийся по мере подъема. Теплый и впал ный воздух снизу 179 Ф и г. 9.7. Грееоеая ячейяа в раяией стадии рагеипшя. згос»дери.
а — статичетал от.носиеро; »в адно дапзичесное охлажден сухого воздуха; с — адиадатичесное охлиж. дез ие влежного воздуха; д — - влаге. нин воздух с нанон-пю прижесою озружаючего воздуха. $' гз % нЧ днес»за $81 подымается, остывает и конденсирует влагу. Ка рисунке крестики означают снег, а точки — дождь, но поскольку восходящий ток довольно велик, а капельки очень малы, то на атой стадии нп снег, ни дождь не выпадают. Это начальная стадия, и шзка это еще не настоящая гроза, в том смысло, что внизу вообще не видно, чтобы что-нибудь происходило. По мере того как теплый ьоздух подымается вверх, в ячейку прибывает воздух со всох сторон (весьма важное обстоятельство, которым долго пренебрегали).
Так что подымается не только тот воздух, который был внизу, ио и какое-то количество другого воздуха — с разных сторон. Отчего воздух вот так поднимается? Как вы знаете, наверху воздух прохладнее. Солнце нагревает почву, а водяной пар в верхних слоях атмосферы излучает тепло вверх; поэтому на больвшх высотах воздух холодный, а внизу теплый. Вы можете сказать: вТогда все очень просто. Теплый воздух легче холодного; по»тому вся эта комбинация механически неустойчива, и теплый воздух поднимается».
Конечно, если температура на разных высотах разная, то воздух действительно термодинамически неустойчив. Предоставленный самому себе надолго, весь воздух примет одинаковую температуру. Но он не предоставлен самому себе; весь день светит солнце. Так что проблема касается не только термодинамического, но и механического равновесия. Пусть мы начертили, как на фиг. 9.8, кривую зависимости температуры воздуха от высоты.
В обычных условиях получается убывание по кривой типа а; по мере подъема температура падает. Как же атмосфера может быть устойчивой? Почему бы теплому воздуху просто не подняться к холодному? Ответ состоит в том, что если бы воздух начал подниматься, то давление в нем упало бы, и, рассматривая определенную порцию поднимающегося возду'ха, мы бы увидели, что она адиабатически расширяется.
(Теплопе уходил обыиз нее и не приходило бы, потому что из-за огромных размеров не хватило бы времени для больших передач тепла.) Итак, порция воздуха прн подъеме охладится. Такой адиабатический процесс привел бы к такой зависимости температура — высота, как показано кривой Ь на фнг. 9.8. Любой воздух, поднимающийся снизу, оказался бы холоднее, чем то место, куда он направляется. Так что теплому воздуху снизу нет резона идти вверх; если бы он всплыл, то остыл бы н стал холоднее того воздуха, который уже там есть; он оказался бы тяп»елее этого воздуха, нему бы захотелось сразу обратно вниз. В хороши»ц ясный денек, когда влажность невелика, устанавливается какая-то быстрота падения температуры с высотой, н эта быстрота, вообще говоря, ниже «максимального устойчивого перепада», представляемого кривой Ь.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
