Тарасов Л.В. - Ветры и грозы в атмосфере Земли (1109048), страница 36
Текст из файла (страница 36)
Ток проводимости в атмосфере Поскольку каждая точка атмосферы характеризуется некоторым вектором напряженности поля Е, направленным вертикально вниз, и некоторым значением удельной электрической проводимости л, то через атмосферу должен течь электрический ток (ток проводимости) плотностью /: /= /Е. (3.1) Плотность тока/, как и напряженность поля Е„является локальной векторной характеристикой атмосферы. Ее направление совпадает в данной точке поля с направлением вектора Е. По модулю она равна электрическому заряду, проходящему за единицу времени через единичную площадку, содержащую точку наблюдения и ориентированную перпендикулярно к направлению движения заряженных частиц; измеряется в А/мэ. Соотношение (3.1) — это знаменитый закон Ома для участка цепи, представленный в дифференциальной форме, т.
е. относящийся к данной точке поля. Это соотношение нетрудно вывести из обычного закона Ома для участка электрической цепи. В качестве 198 Глава 3. Электричество в атмосфере такого участка выберем цилиндрический объем атмосферы, ограниченный основаниями 1 (с потенциалом (р,) и 2 (с потенциалом (е ); расстояние между основаниями равно А1, плошади оснований Д5 (рис. 3.4). По цилиндру течет ток силой Е Закон Ома для рассматриваемого участка цепи имеет вид (3.2) где Я вЂ” электрическое сопротивление участка; дго = ~п, — (ез — разность потенциалов, или напряжение.
Так как то (3.2) можно переписать в виде !ь! ьго = 1 —, ЛА5 откуда следует, что (3. 3) Рис. 3.4 При достаточно малом Д! отношение Агр/Гь! есть модуль напряженности поля Е в основании 1, а при достаточно мапом д5 отношение 1/ЬЯ есть модуль плотности тока 1 в точке А. В этом случае (3.3) переходит в соотношение ЛЕ = 1 для точки наблюдения А, что и требовалось получить. Измерения показывают, что в зоне хорошей погоды к поверхности Земли течет от ионосферы ток проводимости плотностью 1 = 3. 1О 'з А/мз. Чтобы нигде не происходило накопление зарядов или, напротив, их исчезновение, значение плотности тока ! не долзкно изменяться с высотой. Так оно и есть в действительности; ведЫ = ЛЕ, а Л с высотой увеличивается, тогда как Е уменьшается. Клк показали измерения, вблизи земной поверхности, где Е = 100 В/м, удельная электрическая проводимость равна Л = 3.
1О ге Ом ' . м ' и, следовательно, ЕЛ = 3 10-'з А/м', а на высоте 1О км, где Е = 3 В/м, удельная проводимость — Л = 10 "Ом ' м ' и опять-таки ЕЛ = 3 1О ц А/мз. Предположим, что вся атмосфера Земли — зона хорошей погоды (что заведомо не так). Тогда полный ток, текуший от ионосферы к Земле, должен был бы определяться как 1= 4а'Я21 (3.4) Д 1 Лтиос4ервве электричество 199 где Я = б,37 10' м — радиус земного шара. Подставив сюда значение плотности тока / = 3 1О и А/м', находим э'= 1500 А.
Итак, атмосфера Земли оказалась пусть и плохим, ио все-таки проводником и через нее от ионосферы к Земле все время течет электрический ток. Виды электрических разрядов в газах Процесс протекания тока через газы называют электрическим разрядом в газах. Напомним, что в зависимости от условий осуществления разряда различают несамостоятельный и самостоятельный разряды. Несамостоятельный разряд — это разряд, при котором электрическая проводимость газа все время поддерживается иоиизацией с помощью внешнего источника. Именно с таким разрядом мы имеем дело в случае атмосферы в зоне хорошей погоды.
При этом внешним источником, поддерживающим ионизацию воздушной среды, являются, как уже отмечалось, космические лучи, солнечные лучи, радиоактивные излучения. Самостоятельный разряд — это разряд, при котором проводимость газа обеспечивается самим электрическим полем без какого- либо внешнего воздействия. Основным механизмом ионизации газа являются в данном случае соудареиия с его атомами и молекулами электронов, которые приобрели значительную скорость в электрическом поле. Различают четыре основных типа самостоятельного разряда: тлеющий, корвяиый, искровой, дуговой.
В атмосфере в зонах нарушеиной погоды (в зонах значительной облачности, зонах грозовой деятельности) наблюдаются коронный и искровой самостоятельные разряды. Ниже мы познакомимся с ними подробнее. Как быстро могла бы разрядиться Земля в условиях повсеместной хорошей погоды? Непрерывное течение тока проводимости от иоиосферы к Земле в зоне хорошей погоды означает, что Земля яостеленио разряжается. Предположим иа минуту, что вся атмосфера — зона хорошей погоды, и будем рассматривать атмосферу как пространство внутри гигантского сферического конденсатора. Внутренняя 200 Глава Д Электричество в атмос4ере Задача Дано: в начальный момент времени (г= 0) заряд пластин конденсатора Я, = 4 1О' Кл, через конденсатор протекает ток 1о = !500 А.
Надо найти время, за которое заряд на пластинах конденсатора уменьшится в 1О" = 10» раз. Обозначим через О(г), 1(г), У(г) соответственно заряд на пластине конденсатора, ток разрядки, разность потенциалов пластин в момент времени г. Воспользуемся известными соотношениями: где и и С вЂ” электрическое сопротивление и емкость конденсатора (они не зависят от времени). Умножив указанные соотношения одно на другое, получим или (3.5) Далее учтем, что для достаточно малого промежутка времени ЛГ: 1(г) = —. дг (3.6) Здесь поставлен знак «минус», так как в левой части равенства (3.6) стоит абсолютное значение тока, а оД/лг < О, коль скоро с течением сфера-пластина конденсатора — поверхность земного шара (она заряжена отрицательно), внешняя сфера-пластина — нижняя граница ионосферы (заряжена положительно).
Заряд на каждой из пластин земного «коиденсатора» огромен: О = 4 1О' Кл. Тем не менее текущий в условиях предполагаемой повсеместной хорошей погоды ток от ионосферы к Земле (полный ток равен / = 1500 А) должен был бы разрядить такой конденсатор всего за 50 мин! Точнее говоря, за это весьма малое время заряд на поверхности Земли должен был бы уменьшиться в 100 000 раз, т. е. стать равным всего 4 Кл. Убедимся в этом, решив следующую задачу.
3. 1 Атмосферное электричество 201 — = — — 0(г). дД 1 с(г СЯ (3.7) Читатель, знакомый хотя бы с азами дифференцирования, легко сообразит, что функция, удовлетворяющая уравнению (3.7) и при- нимающая значение Д при г = О, есть Я(г) = (гее (3.8) Положив Де/Ц(г) = 1О", находим г = СЯ!п 10". (3.9) Учитывая, что (п10" = 1810" и и 18е 18е 0,43' (3.10) перепишем (3.9) в виде г = СЯп/0,43. Величина СЯ не зависит от г, она равна Ое//е = 267 с.
С учетом того, что и = 5, получаем оконча- тельно г = (267. 5/0,43) с = 3105 с = 52 мин. Генераторы атмосферного электричества Итак, если бы вся атмосфера Земли вдруг оказалась зоной хорошей погоды, то земной конденсатор Земля — ионосфера практически полностью разрядился бы в течение часа. Однако в действительности наша планета неизменно сохраняет свой отрицательный заряд, составляющий, как уже отмечалось, около полумиллиона кулонов. Дело в том, что наряду с токами, непрерывно разряжающими земной конденсатор, существуют встречные токи, которые непрерывно этот конденсатор заряжают.
Токи в зонах разрядки существуют в тех областях земного шара, где в данное время стоит хорошая погода, а токи зарядки возникают в зонах нарушенной погоды. Зоны нарушенной погоды часто называют генераторами атмосферного электричества. времени заряд на пластинах конденсатора уменьшается.
Переходя в соотношении (3.6) к пределу при дг-+ 0 и используя (3.5), получаем дифференциальное уравнение для функции (2(г): 202 Глава Д Электричество в атмосфере Надо заметить, что зоны нарушенной погоды — понятие довольно широкое. К ним относятся зоны с повышенной облачностью и прежде всего те области, где в данное время выпадают осадки, происходят грозы, сверкают молнии.
Осадки и нисходящие линейные молнии (последние будут рассмотрены в разд. 3.4) переносят положительный заряд с земной поверхности в нижнюю часть облака — возникает положительный электрический ток от Земли к облаку (ток зарядки). Заметим, что во время грозы напряженность поля под грозовым облаком превышает 104 В/м, причем направлено поле не вниз (как в случае хорошей погоды), а вверх. Ток зарядки возникает также в пространстве между вершиной облака и нижней границей ионосферы; там напряженность поля также направлена вверх. хорошеи Р" Зона погоды погоды хорошей погоды Земной шар Рис.
3.4 На рис. 3.5 схематически представлена модель глооальной атмосферной электрической цепи. Ее предложил в 1925 г. английский физик Чарльз Вильсон (18б9 — 1959) — исследователь атмосферного электричества, изобретатель трекового детектора заряженных частиц, названного камерой Вильсона, лауреат Нобелевской премии но физике). В модели Вильсона электрическое поле атмосферы уподобляется полю сферического конденсатора Земля — ионосфера. В этом поле в зонах хорошей погоды текут токи разрядки (сплошные стрелки на рис.
3.5), а в зонах нарушенной погоды — токи зарядки (штриховые стрелки). Нижняя часть облаков заряжена отрицательно, а верхняя положительно. По индукции облако наводит на подстилающем участке земной поверхности положительный заряд, хотя в целом Земля заряжена отрицательно. Над облаком в ионосфере наводится отри- 3.2 Огни святаго Эльма — коронный разряд в атмосфере 203 цательный заряд, хотя в целом ионосфера остается заряженной положительно. Итак, земной конденсатор разряясается в зонах хорошей погоды и зарязкается в зонах нарушенной погоды.
Подчеркнем, что для возникновения токов зарядки принцициально важно, чтобы в процессе образования облака происходила его электризация. Иначе говоря, необходимо, чтобы в облаке заряды разделялись — отрицательные сосредоточивались в нижней части облака, а положительные — в верхней части. Разделение зарядов происходит в облаках разных типов, но наиболее значителен этот процесс в кучево-дождевом, т. е. грозовом облаке. Поэтому следует подробнее познакомиться с развитием грозового облака.
Мы сделаем это позднее в разя. 3.3, а пока заметим, что молнии и осадки — не единственный механизм токов зарядки. Такую же роль выполняют пылевые бури, метели, извержения вулканов (кстати говоря, тоже нередко сопровождаемые молниями). Все они тоже являются генераторами атмосферного электричества. Кроме того, при приповерхностной напряженности поля 500 — 1000 В/м происходят почти бесшумные коронные разряды с «острых» предметов, находящихся на земной поверхности: мачт, труб, деревьев. В этом случае заряды тихо стекают в атмосферу, внося вклад в токи зарядки.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
