Диссертация (1149454), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Дальнейшие измерения, проводившиеся Главной геофизической обсерваторией(1957-1958 гг.) [323], показали, что напряженность электрического поля имеет минимумы нетолько на экваторе, но и в полярных областях. Вопрос о причине существования такихминимумов все еще не решен окончательно [19]. Пожалуй, основным результатом измеренийнапряженности поля над океанами на судне «Карнеги» было обнаружение максимумов иминимумов в суточном ходе напряженности электрического поля. Максимум устойчивонаблюдался примерно в 19 часов по среднему гринвичскому времени (мировому времени), аминимум в 3 часа. Было установлено, что ход повторяется над Индийским, Атлантическим иТихим океанами [144], а также в полярных областях [200].
Такая вариация атмосферногоэлектрического поля называется унитарной (также известна в литературе как «криваяКарнеги»).Наличие электрического поля «хорошей» погоды приводит к мысли о существованиинеких «генераторов», поддерживающих потенциал между ионосферой и поверхностью земли.Дальнейшие исследования электрического поля атмосферы [212] показали, что суточный ходунитарной вариации подобен суточному ходу интенсивности гроз на планете. На рисунке 1.1показан график из работы [271], который иллюстрирует результат сопоставления суточныхвариаций напряженности электрического поля и площади, занятой грозами по земному шару.График построен по данным из [25, 114, 144, 200].11Как отмечено в [271], близкое совпадение кривых суточного хода грозовой активности исуточного хода напряженности электрического поля (рисунок 1.1) привело авторов к мысли,что грозовая активность и электрическое поле атмосферы тесно связаны.
Эти факты нашлиобъяснение в теоретической модели, которая известна в литературе как теория «шаровогоконденсатора» [102, 217, 347]. Электрическое поле атмосферы по этой теории существуетблагодаря тому, что на поверхности земли и в ионосфере, играющих роль обкладок гигантскогопланетарного «конденсатора», сосредоточены электрические заряды.
Эти заряды создаютмежду обкладками «конденсатора» разность потенциалов, вследствие чего в атмосференаблюдается электрическое поле. Атмосфера земли не является, строго говоря, изолятором и поэтой причине между ионосферой и поверхностью земли все время течет ток проводимости,стремящийся разрядить «конденсатор».Рисунок 1.1. Cуточные вариации грозовой активности (1 и 2) и относительные суточныевариации напряженности электрического поля Е/Еср (%) над океанами (3 и 4). 1 - по Бруксу[25], 2 - по Крумму [114], 3 - по результатам измерений в полярных областях на корабле «Мод»[200], 4 - по результатам измерений над океанами на судне «Карнеги» [144]По современным представлениям [152, 170] потенциал между обкладками такого«конденсатора» составляет 180-400 кВ, а суммарный ток между ионосферой и поверхностьюземли достигает 800-1800 А.
Очевидно, что для поддержания заряда на обкладках необходимосуществование компенсирующих токов.Источниками таких токов (генераторами) по теории шарового конденсатора [217, 345]являются грозы. Теория шарового конденсатора со временем дополнялась. Например, авторыработы[100] показали, что потенциал в верхних слоях атмосферы может существовать уже навысоте порядка 60 км.
В литературе этот слой иногда именуют «электросферой» [90, 109].12Несмотрянасвоидостоинства,теория«шаровогоконденсатора»неспособнаудовлетворительно объяснить все наблюдаемые эффекты в атмосферном электричестве инеоднократно подвергалась критике. Например, Имянитов [271], сопоставив кривые годовогохода унитарной вариации напряженности электрического поля [322] и среднего числа гроз[114], нашел, что они противоположны по фазе. Таким образом, он приходит к выводу, чтооценка вклада грозовой активности в формировании унитарной вариации атмосферногоэлектрического поля не может быть сведена к величине площади, занятой грозами на планете,либо в атмосфере имеются другие источники, поддерживающие заряд ионосферы [271].Результаты зондирования электрического поля в атмосфере, представленные в [267, 271] идемонстрирующие изменение напряженности поля с высотой, также не согласуются с теорией«шарового конденсатора».Френкелем в 1949 г.
была предложена теорияпроисхождения атмосферногоэлектрического поля [354]. По этой теории предполагалось, что верхние слои атмосферы, иионосфера не играют существенной роли в образовании атмосферного электрического поля.Появление атмосферного электрического поля он объяснял исключительно существованиемзаряженных облаков (в том числе и не грозовых) и индуцированными ими зарядами наповерхности земли.
Таким образом, все атмосферно-электрические процессы по его теориисосредоточеныисключительновнижнихслояхатмосферы.Первыепопыткиэкспериментальной проверки положений теории Френкеля показали [267], что напряженностьэлектрического поля в большинстве облаков не согласуется с теоретически рассчитанной.Таким образом, теория Френкеля не смогла объяснить появление атмосферного электрическогополя.Еще одна попытка объяснить унитарную вариацию электрического поля былапредпринята в работе [252]. Авторы сравнивали ход изменения площади морей, освещеннойсолнцем в течение суток с ходом суточной унитарной вариации поля и сочли их весьмаподобными.
В конечном итоге, это объяснение не позволило решить проблему появленияатмосферного электрического поля.По современным представлениям причиной появления в атмосфере электрического поляявляется множество процессов, происходящих в атмосфере, ионосфере и магнитосфере Земли,объединенные общим понятием – Глобальная электрическая цепь (ГЭЦ) [142, 175]. Внастоящее время концепция глобальной электрической цепи является основой для построениятеорийатмосферногоэлектричества[274].ПодГЭЦподразумеваютсуществованиераспределенного электрического контура [138] с «генераторами», роль которых выполняютпланетарные грозовые процессы, и областями с «хорошей» погодой, в которых происходитрассеивание энергии ГЭЦ [141].
Поверхность Земли за счет проводимости играет роль нижней13части контура ГЭЦ [175]. Верхней частью контура является ионосфера [140], которая в своюочередь подвержена влиянию физических процессов земного (главным образом атмосферного)происхождения (высотные разряды в ионосферу и т.д.) и внеземного (потоки заряженныхчастиц от солнца, галактические космические лучи, солнечные вспышки и т.д.) [140, 176, 202].На рисунке 1.2. представлена схема глобальной цепи из работы [236]. В основных чертах такаяконцепция в чем-то схожа с теорией шарового конденсатора [217].Рисунок 1.2. Схема глобальной электрической цепи [236]Основным отличием является тот факт, что процессы, связанные с ГЭЦ, простираютсяна ионосферу и магнитосферу Земли [138, 215, 216, 126, 134, 164, 236, 304].
В работах [216,266] рассматривается возможность существования ГЭЦ на других планетах Солнечнойсистемы, которые имеют ионосферу [74, 306].При осадках, и особенно грозах, напряженность поля может менять свой знак и величинудо 10-100 кВ/м [272, 357] и имеет тенденцию к медленным (десятки минут, часы) и быстрым(секунды) изменениям (особенно в момент молниевых разрядов). Такие изменения изначительная величина напряженности поля указывают на процессы разделения зарядов вгрозовом облаке. По результатам экспериментальных исследований было показано [115], что вгрозовом облаке заряды одного знака обычно сосредоточены над зарядами противоположногознака, образуя электрический диполь.При прохождении заряженного облака над пунктом наблюдения у поверхности землиотмечаются сильные вариации напряженности поля, создаваемые пространственнымизарядами, сосредоточенными в облаке.
По характерным изменениям этого поля можно сделать14выводы о возможной структуре пространственного распределения электрических зарядов воблаке. Среднее значение объемной плотности заряда в облаке обычно составляет 61012–11310-Кл/м3 [312, 318]. Средние размеры областей зарядов в облаках, по данным измерений ссамолетов и метеорологических ракет, составляют десятки и сотни метров [26, 98, 269, 311].Рисунок 1.3. Распределение зарядов в типичном грозовом облаке, в стадии максимальногоразвития [357]В первых работах, посвященных исследованию электрической структуры грозовых облаков,было выделено два типа поляризации грозовых облаков – положительная и отрицательная[188,218]. Положительно поляризованным называют облако с положительным зарядом вверхней части и отрицательным зарядом в основании.
В противоположном случае облаконазывают отрицательно поляризованным [26]. Типичное распределение зарядов в грозовомоблаке показано на рисунке 1.3 [357]. Результаты, полученные позже, показали, что можновыделить три типа электрической структуры грозовых облаков [137, 177]. К ранее известнымдвумтипамдобавилсятретий-облакосположительнойполярностью,имеющеедополнительный компактный положительный заряд в основании.В работе Филиппова [352] по данным наблюдений гроз в Сибири классифицируетсячетыре типа электрической структуры грозовых облаков.Автором в отдельный тип выделяется структура облака с положительной полярностью, вкоторой пространственные заряды имеют смещение по горизонтали. На рисунке 1.4 встилизованном виде показана электрическая структура грозовых облаков по классификацииФилиппова [352].Необходимоотметить,что,рассматриваятольковариациинапряженностиэлектрического поля у поверхности земли, нельзя однозначно определить электрическую15структуру облака [271].
Таким образом, подобная классификация электрической структурыгрозовых облаков может носить оценочный характер.Рисунок 1.4. Повторяемость различных типов вариаций приземного электрического поля иэлектрическая структура грозовых облаков по классификации Филиппова [352]Как было отмечено ранее, суточные вариации электрического поля в условиях«хорошей» погоды имеют вид простой волны с максимум в 19 часов мирового времени (поГринвичу) и минимум в 3 часа мирового времени [355]. Подобные вариации отмечаются вполярных областях [36], над океанами [287, 301, 355] и в некоторых континентальных областях[104].
В подавляющем большинстве наземных пунктов наблюдения максимумы и минимумы всуточном ходе напряженности электрического поля зависят от местного времени [227, 305, 309,310, 335]. Это указывает, на доминирующее значение местных условий [235, 302, 356]. Кместным факторам, влияющим на суточный ход в условиях «хорошей» погоды, можно отнести,прежде всего, антропогенный фактор – загрязнение воздуха (и как следствие изменениепроводимости столба воздуха), как это показано в работах [116, 254, 290, 334, 344, 353]. Клокальным факторам не антропогенной природы, можно отнести эффекты влияния восходасолнца [156], тумана [307], извержения вулканов [86].В работах [32, 93, 101] отмечено, что с восходом солнца напряженность поляувеличивается.
Этот эффект летом сильнее, чем зимой и более значителен в равниннойместности, чем в горах [101]. Для объяснения этого эффекта были сделаны различныепредположения: эмиссия в атмосферу положительно заряженных ядер от промышленных16предприятий [32]; влияние влажности [151]; существование «генератора» в слое обмена [107];фотоэлектрический эффект, вызванный солнечными лучами [130].Влияние тумана на атмосферное электрическое поле заключается, в основном, визменении проводимости воздуха.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
