В.И. Трухин, К.В. Показеев, В.Е. Куницын - Общая и экологическая геофизика (1119248), страница 56
Текст из файла (страница 56)
Наоборот, зоны «плохой погоды» характеризуются присутствием названных локальных факторов (грозы, пыльные бури, осадки и др.). В зонах «хорошей погоды~ у поверхности Земли существует стационарное электрическое поле с напряженностью Е в среднем около 130 В,1м. Земля при этом имеет отрицательный заряд около 3 10 Кл, а атмосфера в целом заряжена положительно. Поле Е больше в средних широтах, а к полюсам и экватору убывает.
Как правило, с высотой поле Е монотонно убывает и на высоте 1О км не превышает нескольких В,~м. Электрическое |юле может с высотой возрастать прн скоплении аэрозолей в слое перемешивания толщиной 300 — 3000 м. Закон убывания с высотой, за исключением слоя перемешивания, близок к экспоненциальному закону (рис. 16.Ц. Разность потенциалов между Землей и ионосферой составляет 200 250 кВ. Электрическое поле атмосферы нестациопарно, вместе с локальными суточными и годовыми вариациями Е отмечаются так называемые унитарные вариации -- синхронные для всех пунктов суточные и годовые вариации поля. Локальные вариации связаны с изменениями величины и распределения электрических зарядов в данном районе. Глобальные унитарные вариации связаны с изменением электрического заряда Земли в целом [58).
Гл. 1б'. Элен»аромагнитн»н яеления е атмосфере З00 Ионизацию нижней и Н к, средней атмосферы определяют в основном следующие 5 факторы: космические лучи, ионизирующие всю атмосферу:, УФ и рентгеновское излучение Солнца. Ионизирующее действие УФ и рентгеновского излучения проявляется на высотах более 50- 60 км. Максимум скорости обра- 22 зования ионов под действием галактических космических лучей и продуктов ядерных а реакций находится вблизи тропопаузы на высоте около 15 км, здесь возникает слой ионизации с концентрацией 50 100 Е, В/и ионов около 6 10в см Рис. 16.1.
Типичный ход электриИзлучение радиоактивных ве- ческого поля Г, с высотой в зонах ществ верхних слоев Земли и «хорошей» погоды: а в чистой приповерхностного слоя воз- атмосфере, б над континентами духа, проявляется до высот в несколько километров. Создаваемая различными ионами электропроводность атмосферы о очеш мала: и = (2 3) х х 10 ы (Ом м) 1 у поверхности Земли.
Электропроводность определяется совокупностью ионов и равна се = ~ ~еп; ш«, где е элементарный заряд, и, концентрация ионов с подвижностью ш, Основной вклад в ег вносят легкие ионы с ш > > 10 ' м~/с. В, средние и тяжелые ионы на величину о заметно не влияют. В слое перемешивапия электропроводность незначительно увеличивается с высотой, а выше растет примерно по экспоненциальному закону, достигая на высоте 10 км значения ст 30 10 1«(Ом м) 1. Антропогенная деятельность приводит к заметным изменениям электрических параметров атмосферы. Увеличение запыленности атмосферы приводит к уменьшению о. и соответствующему возрастанию Е в слое перемешивания. С другой стороны, существуют сильные антропогенные источники ионизации.
Например, испытания атомных бомб Гл. 16. Эленн~ромигннтя»~е явления в итмоефере приводят к увеличению ионизации атмосферы, увеличению о и уменьшению Е. Электрическое поле атмосферы вызывает ток проводимости с плотностью 4 = о Е около (2 3) . 10 ш А/мз. Суммарный ток через всю поверхность Земли составляет 1800- 2000 А. В атмосфере текут также токи конвективного переноса объемных зарядов и токи диффузии. В слое перемешивания плотность этих токов сравнима с плотностью тока проводимости. Постояннвл времени перетекания заряда Земли в ионосферу за счет токов проводимости -500 с.
Однако заряд Земли практически не меняется за счет существования заряжающих Землю «генераторов» атмосферного электричества. Основными «генераторами» атмосферного электричества являк1тся облака и осадки. С увеличением толщины облаков, с укрупнением частиц облаков и усилением осадков усиливаются процессы электризации. Связанные с электропроводностью и турбулентным перемешиванием процессы переноса в облаках малы, поэтому даже слабые процессы электризации, действующие в облаках, создают заметные электрические эффекты. В слоистых и слоисто-кучевых облаках плотность объемных зарядов р = 10 ш Кл/км~, что на порядок превышает р чистой атмосферы, Е = 100-300 В/м.
Структура распределения зарядов в облаках достаточно сложна. Как правило, облака заряжены положительно в верхней части, а в нижней части расположена зона отрицательных зарядов. Однако на нижней кромке облаков присутствуют в основном положительные заряды. В кучево- дождевых облаках с ливнем и грозой соответствующие средние значения р = (0,3.10) 10 ~ Кл/хлв и (3-30) 10 ~ Кл/м~, а Е = = (1 — 5) 104 В,'м и Е = (5 — 20) 104 В/м. В зонах, где зарождаются молнии, напряженность поля и плотность обьемных зарядов могут превосходить средние значения на порядок и более. Другими, более слабыми «генераторами» атмосферного электричества являются извержения вулканов и пылевые бури, снежные и водные метели, облака и осадки, атмосферные выбросы промышленных источников и т.д.
Извержение вулканов, песчаные бури, метели, торнадо также иногда приводят к возникновению грозовых явлений. Генерируемые облаками линейные молнии являются разновидностью искрового разряда, возникающего в отсутствие электродов в массе заряженных и хорошо изолированных друг от друга частиц. Линейные молнии подразделяются па «наземпые» (ударяющие в землю) и внутриоблачные молнии. Средняя длина молпиевых разрядов составляет несколько километров, однако !'л. 1бс Эленигромагниганме яаления е атмосфере 311 длина внутриоблачных молний доходит до 50 — 150 км.
В пои!едние годы были зарегистрированы молнии между тропосферой и нижней ионосферой. Токи наземных молний варьируются в пределах -20 500 кА, что на порядок превышает токи внутриоблачпых разрядов. Кроме линейных наблюдаются четочные 1цепи светящихся «четокь) и шаровые молнии. Последние представляют собой светящиеся образования с размерами 10 — 20 см и продолжительностью жизни от секунд до минут. Отметим, что до настоящего времени нет полной теории шаровой молнии. Существует довольно много гипотез и теоретических работ, однако они не объясняют даже основные особенности поведения шаровой молнии [1471.
то то Рис. 16.2. Схема глобальной электрической цепи, которая заряжается грозами Глобальная электрическая цепь, как схематично показано на рис. 16.2, заряжается грозами. Электрическое поле Земли и ток Земля-атмосфера в зонах «хорошей погоды» поддерживаются процессами в зонах «плохой погоды». Между отрицательно заряженной поверхностью Земли и верхними слоями атмосферы поддерживается почти постоянная разность потенциалов величиной около 300 кВ. Токи порядка 1 А, текущие от вершин грозовых облаков, помогают поддерживать указанную разность Гл. 16.
Эленнгромигннгнн»ге лвленнл в итмоефере 312 потенциалов; примерно такой же ток должен течь от поверхносги Земли к нижним частям облаков. Точнее, плотность токов осадков на Землю составляет 1 — 5 10 12 — 10 " А/ьг~ в средних широтах и возрастает к экватору. Плотность тока из ливневых облаков г' 10 ш" 10 ~ А/ьг, из грозовых г' 10 ~ "10 ~Л/м~. Полный ток, текущий на Землю от одного грозового облака, равен в средних широтах около 0,01 — 0,1 А, ближе к экватору возрастает до 0,5-.1 А и даже нескольких ампер.
В больших масштабах ток в зонах «хорошей погоды» величиной около 2000 А, который переносит положительный заряд от верхних слоев атмосферы к Земле, быстро нейтрализовал бы разность потенциалов в 300 кВ, если бы грозовые разряды не вперезаряжали» глобальную электрическую цепь. Однако грозы, главным образом тропические, переносят огромное количество отрицательных зарядов к Земле и в основном компенсируют ток в зонах «хорошей погоды». Долгое время считалось, что около 2000 гроз (эквивалентньгх троггическим), в среднем сосуществующих одновременно на Земле, дают ток около 2000 А, компенсирующий токи потери отрицательного заряда Земли за счет токов в зонах вхорошей погоды», и что колебания грозовой активности во времени обусловливают наблюдаемые унитарные вариации.
Однако позднее выяснилось, что ток гроз заметно меньше указанного, и что унитарные вариации связаны также с облаками слоистых форм и с процессами конвекции в атмосфере по всей поверхности Земли в целом [58). Электромагнитные волны в атмосфере Характеристики распространения электромагнитных волн являются функциями материальных констант среды, а именно диэлектрической постоянной е, магнитной проницаемости 1» и проводимости о. Вместо е и гг часто используются их относительные величины ее и гг,, ЯвлЯюЩиесЯ отношениЯми е и 12 к их значениям в вакууме ев и ггв.
В задачах распространения волн в тропосфере и стратосфере проводимостью можно пренебречь. Как известно, показатель преломления определяется как отношение скорости света в вакууме св к скорости света в среде с: ев и = — = -,/е, 1»~ с Поскольку гг„в воздухе близко к единице, то мы далее полагаем де = 1, и единственной определяющей величиной является диэлектрическая постоянная е, Следует заметить, что е, является !'л. 16. Злентромаенитние явления в атмосфере з1з функцией частоты ш или длины волны Л, поэтому показатель преломления имеет аналогичную зависимость: п(Л) = у~ее(Л). Зависимость характеристик распространения волн от частоты (длипы волны) называется явлением дисперсии. Термин был введен И.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
