Атмосферная электроэнергетика: Преимущества и недостатки атмосферных электростанций

Преимущества и недостатки атмосферных электростанций

Преимущества атмосферных электростанций

• Земельно-ионосферный суперконденсатор постоянно подзаряжается с помощью возобновляемых источников энергии — солнца и радиоактивных элементов земной коры.
• Атмосферная электростанция не выбрасывает в окружающую среду никаких загрязнителей.
• Оборудование атмосферных станций не бросается в глаза. Воздушные шары находятся слишком высоко для того, чтобы их увидеть невооруженным глазом. Для этого понадобится телескоп или бинокль.
• Атмосферная электростанция способна вырабатывать энергию постоянно, если поддерживать шары в воздухе.

Недостатки атмосферных электростанций

• Атмосферное электричество, как и энергию солнца или ветра, трудно запасать. Его необходимо либо использовать сразу же, на месте получения, либо преобразовывать в любую другую форму, например в водород.
• Значительная разрядка земельно-ионосферного суперконденсатора может нарушить баланс глобального электрического контура. В этом случае последствия для окружающей среды будут непредсказуемы.
• Высокое напряжение в системах атмосферных электростанций может быть опасным для обслуживающего персонала.
• Воздушные шары необходимого размера сложно обслуживать и поддерживать на необходимой высоте. Кроме того, они могут представлять опасность для авиации.
• Общее количество электроэнергии, которую можно получать из атмосферы, ограниченно. В лучшем случае атмосферная энергетика может служить лишь незначительным дополнением к другим источникам энергии.

Вопрос
Что произойдет, если воздушный шар вместе с проводом попадет в сильную грозу (не говоря об урагане или торнадо)?

Ответ
Параметры тока, протекающего по проводу в резервуары с электролитом, вероятнее всего, изменятся вследствие локальных грозовых электрических зарядов. Под действием турбулентных потоков воздуха провод будет испытывать серьезное механическое напряжение. Если он порвется, то его часть упадет на землю в районе «электростанции», а та, что привязана к воздушному шару, опустится на землю вместе с ним где-то далеко.

Это может привести к значительным разрушениям.

Если атмосферная электростанция когда-либо будет построена, то наиболее вероятным местом ее расположения окажется некий островок в океане, а воздушные шары будут крепиться к земле двумя-тремя проводами. Так что не стоит пытаться соорудить подобную электростанцию дома.

Атмосферная энергетика.

В данной статье я хочу поговорить о способах получения энергии из атмосферы земли. Как известно – потенциал между землей и ионосферой огромен и достигает 400 кВ, а его потенциальная энергия равна миллионам гигаватт. За счет природных процессов, которые протекают у поверхности земли – получается первая обкладка конденсатора.

Основным компонентом, который формирует потенциал у поверхности планеты, является вода. За счет процессов перехода в различные агрегатные состояния (испарение, конденсация и т.д.) образуется мощное покрывало из отрицательно заряженных частиц, которые располагаются по всей поверхности планеты. Верхняя обкладка конденсатора – ионосфера. Положительные частицы образуются главным образом за счет ударной ионизации от космического излучения. Проще говоря – частицы, летящие, к примеру, от солнца, ударяясь в нейтральные частицы атмосферы – передают им свою энергию. Таким образом, в результате природных процессов на нашей планете, которые происходят миллиарды лет – образуются два разноименных заряда, Которые непрерывно насыщаются в результате ударной бомбардировки из космоса и за счет природных процессов у поверхности земли. Так же происходит и разряд обкладок конденсатора, во время пробоя диэлектрика это молния. По сути, молния не что иное, как кратковременное замыкание двух разноименных потенциалов с выделением энергии в виде света и тепла. Энергии настолько много, что разрядов молний, которые происходят постоянно и непрерывно миллионы лет на всей поверхности земли, влияет на нагрев атмосферы планеты, наравне с солнечным излучением и тепличным эффектом газов.

Рис. 1 Круговорот электрических зарядов в атмосфере.

С первого взгляда получение электричества из атмосферы выглядит достаточно простым. Имеем два потенциала, к которым можно подключиться, преобразовать энергию в электричество с необходимыми характеристиками и источник в миллиарды гигаватт у нас в руках. Для примера вся энергия, которая вырабатывается в США за год, составляет примерно 1.5% от той энергии, которая содержится в атмосфере планеты. Однако получение энергии связано с определенными трудностями. В частности электрод для забора положительных частиц из ионосферы – должен иметь большую площадь поверхности, а так же поднят на достаточно большую высоту. Помимо этого, сложности состоят в том, как преобразовать полученную энергию в напряжение с необходимыми потребителю характеристиками.

Рис. 2. Радиационный баланс и плотность тепловой энергии

Пионером в области получения электричества из атмосферы, несомненно, был Никола Тесла. Он использовал определенную частоту своего приемника энергии, которая была равна частоте земли. Так называемая частота Шумана, которая равна примерно 8Гц. Следует отметить, что приемник должен иметь настраиваемый колебательный контур, поскольку частота варьируется в зависимости от погоды, времени и времени года. Так, к 19 часам по Гринвичу – колебания достигают пика. Зимой, за счет более сухого воздуха и сильных ветров, потенциал больше, чем летом. Однако в среднем разница составляет не более 30% от среднего значения. Текущую частоту колебаний земли можно посмотреть на сайте Space Observing Systems (http://sosrff.tsu.ru) . Тесла так же применял ионизированный канал, чтобы улучшить проводимость атмосферы над приемником энергии. Если выбрасывать отрицательно заряженные частицы в атмосферу, к примеру, используя Катушку Теслы. То можно добиться локального сокращения слоя диэлектрика и образования токопроводящего канала. Это поможет разрядиться потенциалу. В общих чертах – знаменитая Башня Теслы является, по сути, буфером или если хотите, емкостью, где задающий генератор перемещает заряд из земли и обратно.

Башня Теслы это антенна, в которой после соответствующих манипуляций (создание резонирующих с частотой Шумана колебаний задающим генератором, обеспечением заземления и т.д.) наводится атмосферное электричество.

Рис. 3 иллюстрация к патенту Плауссона 1922г.

Утилизатор энергии по мотивам патентов Теслы, был описан так же в работах Германа Плауссона, который в 20-е годы прошлого века проводил испытания с воздушными шарами-антеннами, а 9 июня 1925 года он запатентовал свою систему по сбору атмосферного электричества. Патент за номером 1.540.998. Самодельные аэростаты можно наполнить водородом, применив примитивную реакцию медного купороса и алюминия, при контакте этих двух компонентов происходит получение водорода с выделением тепла. Следует отметить. Что такой способ применим разве что для опытов, поскольку водород крайне огнеопасен. Использование его в аэроантеннах небезопасно. Однако то, что антенну приемника нужно поднимать как можно выше – очевидно. Так же огромную роль играет качественное заземление. Тесла в своих дневниках говорил о необходимости тщательного заземления аппаратуры. В частности он говорил, как сделать его. Следует взять большой лист металла, к которому присоединить провод. Металл следует закопать как можно глубже. Предварительно засыпав его солью для улучшения контакта с почвой. Засыпая лист – следует постоянно утрамбовывать почву. Так же Тесла просил помощника периодически поливать землю над листом водой, чтобы улучшить контакт с почвой. Качественное заземление не менее важно, чем антенна. Следует так же сказать о том, что заземляться в многоквартирных домах на трубы центрального отопления неправильно, поскольку это плохое заземление. Хоть труба и уходит под землю. Она так же идет и по всему зданию. Если представить всю систему отопления без самого здания – мы получит антенную решетку. Которая будет пагубно влиять на прием энергии. Более того. В некоторых случаях трубы электрически соединены с несущей арматурой здания. Возможно, тут можно оспорить мое мнение, однако я считаю, что лучшее заземление.

Когда сама его конструкция не выходит за пределы поверхности земли.

Рис 4. Работы по получению атмосферного электричества.

Утилизировать полученную энергию можно различными способами. Большинство из них сводиться к накоплению в промежуточном конденсаторе и высвобождению через разрядник в трансформатор или напрямую. К потребителю. КПД таких устройств, к сожалению, достаточно низок. Это связано с малыми габаритами приемной антенны, а так же несовершенством конструкции. Мы еще поговорим о способах получения энергии земли.

А сейчас следует упомянуть о способе преобразования, который используется в электростатическом двигателе Ефименко. Конструктивно двигатель представляет собой вертикальную ось, на которую насажен диск из электрета. Примитивный электрет можно сделать залив смесью парафина и древесной смолы круглую емкость, и подать на смесь высокое напряжение. Получившийся электрет будет сохранять свою напряженность достаточно долго. Подробнее об электретах можно почитать в интернете.

Диск из электрета устанавливается на ось. К обеим поверхностям диска прикреплены две металлические пластины. На пластины через щетки подается напряжение от антенны на одну пластину и от земли на другую соответственно. Следует обратить внимание на полярность дискового электрета и правильно рапределить полярность. Более подробно об этом написано в главе «Электретные моторы» книги О. Ефименко «Электростатические моторы». При использовании дополнительных накопителей энергии такие как маховик, акб или ионистор, можно собрать преобразователь атмосферного электричества в механическое движение ротора.

Рис 6. Двигатель Ефименко О. И принцип его подключения.

Если не использовать преобразователь в механическую работу а напрямую преобразовывать в напряжение с нужными характеристиками, то следует руководствоваться патентом № RU 2 245 606 за авторством Кучер П.А. и Коломиец В.И. В патенте достаточно подробно рассказывается о строительстве электрода для приема атмосферного электричества.

Так же не следует забывать и патентах Теслы и Плауссона.

Рис 7. Принципиальная схема утилизатора атмосферного электричества

Подведя итог, хочется сказать, что на данном этапе развития науки и техники – получение электроэнергии пусть даже в небольших масштабах – вещь более чем реальная. Локальные приемники энергии. Установленные за городом могут стать реальной альтернативой автономных генераторов. А проведенные опыты показали их высокую эффективность в плане освещения и питания мобильных устройств. Применяя современную элементную базу, к примеру, светодиоды для освещения, использование преобразователей типа Joulie Thief преобразования энергии и современные антенны – можно достигнуть высоких показателей КПД для такого рода источников энергии.

Сергей О. 2013г.

При перепечатке материалов указание ссылок и авторства – обязательно.

Электроэнергетика

В настоящее время основная доля электроэнергии производится за счет сжигания угля, нефти, газа, горючих сланцев, торфа, а также использования энергии рек. Любой из этих и других современных способов производства и использования энергии связан с определенными отрицательными воздействиями на окружающую среду.

Ежегодно в РФ вырабатывается около 900 млрд. кВт ч электроэнергии.

Тепловые электрические станции загрязняют воздушный бассейн продуктами сгорания, вызывают тепловое загрязнение атмосферы, загрязнение водных объектов сточными водами. Гидроэлектростанции нарушают жизнедеятельность водных экологических систем. Высоковольтные линии вызывают электромагнитное влияние, Атомные электростанции могут быть источником радиоактивных загрязнений, данные процессы сопровождаются частичным изъятием территорий из использования.

 

Наибольшему воздействию энергетической промышленности подвергаются воздушный бассейн и поверхностные воды. Заметное влияние на окружающую среду оказывает гидростроительство.
Создаваемые водохранилища электростанции регулируют речной сток, снижают опасность наводнений и эрозии почв, улучшают судоходность рек, обеспечивают снабжение водой сельскохозяйственных угодий и служат другим целям.

Однако запруживание рек и строительство водохранилищ нередко приводят к отрицательным последствиям. Водохранилища, особенно крупные, оказывают существенное влияние на изменение микроклимата регионов, в которых они расположены. При создании крупных водохранилищ происходит затопление плодородных земель и поселений. Гидросооружения влияют на уровень грунтовых вод, нередко вызывают засоление или заболачивание почв и снижение их продуктивности.
Затопление водохранилищами наземной растительности сопровождается ее разложением, приводит к непригодности водоемов для жизни.

В энергетике основными источниками загрязнения являются тепловые электростанции, производство энергии на которых сопровождается в первую очередь загрязнением атмосферного воздуха. Особое внимание уделяется воздействию на природную среду предприятий атомной энергетики. Источником потенциальной опасности является весь процесс ядерного топливного цикла – от добычи делящегося материала до переработки отработанного топлива. В последние годы производственная деятельность АЭС не оказала заметного влияния на экологическую ситуацию в районах их размещения. В настоящее время полностью исключить промышленные выбросы и окружающую среду невозможно. Определенная доля выбросов в атмосферу является объективно обусловленной современным этапом развития технологии энергетического производства. Энергетика – наиболее крупная отрасль по объему выбросов в атмосферу (26,6 % общего количества выбросов всей промыт ценности России).

Характерными выбросами энергетического комплекса являются сернистый газ (S()2), оксид углерода (СО2), оксиды азота (NO и NO2), сажа, а также наиболее токсичные ингредиенты – оксид ванадия (V2Os) и бенз(а)перен.

Основными источниками образования летучих выбросов в энергетике являются установки обогащения и брикетирования угля, углеразмольные агрегаты, энергетические и теплофикационные котельные установки. Ежегодно объем выбросов вредных веществ в атмосферный воздух энергетическими предприятиями РФ составляет около 6,0 млн. т.

Энергетика потребляет огромное количество свежей воды, 99 % которой используется на производство электрической и тепловой энергии. Ежегодно используется около 30 млрд. м воды, 65-70% экономится за счет использования оборотного водоснабжения. Большая часть воды расходуется на охлаждение различных агрегатов, поэтому тепловые электростанции являются источниками теплового загрязнения. Другим крупным потребителем воды, загрязняющим водоемы и подземные воды, является система гидроудаления золы на ТЭЦ, использующих твердое топливо – угли, сланцы, торф.

Со сточными водами в водные объекты сбрасываются следующие загрязнители: взвешенные вещества, нефтепродукты, хлориды, сульфаты, соли тяжелых металлов.

Ежегодно 53 предприятия атомной энергетики СНГ сбрасывают загрязненные воды в Мировой океан.
В водные объекты предприятиями атомной энергетики сбрасываются около 30 тыс. Ки радионуклидов, из которых 99 % имеют период полураспада от нескольких часов до одних суток. Сбрасываемые радиоактивные изотопы достаточно быстро распадаются и практически не прослеживаются в количествах, превышающих допустимые концентрации в водоемах. В последнее время на 34 предприятиях атомной энергетики в результате проведенной инвентаризации выявлено 257 мест хранения и поверхностного захоронения радиоактивных отходов. В них сосредоточено свыше 405 млн. м3 жидких и около 300 млн. т твердых отходов. Суммарная активность этих отходов превышает 1000 млн. Ки. Кроме того, в глубоких геологических формациях сосредоточено свыше 1,05 млрд. Ки жидких отходов.

Если вы любите смотреть видео, рецензия на сериал “Клиника” поможет понять о чём сериал.

Электричество из воздуха своими руками: схемы

Много лет ученые ищут идеальный альтернативный источник электроэнергии, который позволил бы добывать ток из возобновляемых ресурсов. О том, как получить статическое электричество из воздуха, задумывался еще Тесла в 19 веке, и сейчас ученые пришли к выводу, что да, это вполне реально.

Виды добычи

Альтернативное электричество может добываться из воздуха двумя способами:

1. Ветрогенераторами;
2. За счет полей, пронизывающих атмосферу.

Как известно, электрический потенциал имеет свойство накапливаться в течение определенного времени. Сейчас атмосфера изнизана различными волнами, производящимися электрическими установками, приборами, естественным полем Земли. Это позволяет говорить о том, что электричество из атмосферного воздуха можно добыть своими руками, даже не имея никаких специальных приспособлений и схем, но про особенности токопроизводства по этому варианты мы расскажем ниже.

Фото — грозовая батарея

Ветрогенераторы – это давно известные источники альтернативной энергии. Они работаю за счет преобразования силы ветра в ток. Ветряной генератор – это устройство, способное работать продолжительное время и накапливать энергию ветра. Данный вариант широко используется в различных странах: Нидерландах, России, США. Но, одной ветряной установкой можно обеспечить ограниченное количество электрических приборов, поэтому для питания городов или заводов устанавливаются целые поля ветроустановок. В использовании этого способа есть как достоинства, так и недостатки. В частности, ветер – это непостоянная величина, поэтому нельзя предугадать уровень напряжения и накопления электричества. При этом, это возобновляемый источник, работа которого совершенно не вредит окружающей среде.

Фото — ветряки

Видео: создание электричества из воздуха

Как добыть энергию из воздуха

Простейшая принципиальная схема не включает в себя никаких дополнительных накопительных устройств и преобразователей. По сути, требуется только металлическая антенна и земля. Между этими проводниками устанавливается электрический потенциал. Он со временем накапливается, поэтому это непостоянная величина и рассчитать его силу практически невозможно. Такое, вырабатывающее ток, устройство работает по принципу молнии – через определенный промежуток времени происходит разряд тока (когда потенциал достиг своего максимума). Таким образом, можно извлечь из земли и воздуха достаточно большое количество полезной электроэнергии, которой будет достаточно для работы электрической установки. Её конструкция подробно описывается в труде: «Секреты свободной энергии холодного электричества».

Фото — схема

Схема имеет свои достоинства:

1. Простота в реализации. Опыт можно с легкостью повторить в домашних условиях;
2. Доступность. Не нужно никаких приспособлений, самая обычная пластина из токопроводящего металла подойдет для реализации проекта.

Недостатки:

1. Реализация схемы очень опасна. Нельзя рассчитать даже примерное количество ампер, не говоря уже про силу токового импульса;
2. При работе образовывается своеобразный открытый контур заземления, к которому притягиваются молнии. Это является одной из самых главных причин, почему проект не «пошел в массы» — он опасен для жизни и производства. Удар молнии подчас достигает 2000 Вольт.

С этой точки зрения, свободное электричество, добытое при помощи ветрогенераторов более безопасно. Но тем ни менее, сейчас можно даже купить такой прибор (к примеру, ионизатор-люстра Чижевского).

Фото — люстра Чижевского

Но есть еще один вариант рабочей схемы – это генератор TPU электричества из воздуха от Стивена Марка. Это устройство позволяет получить определенное количество электроэнергии для питания различных потребителей, причем, делает он это без какой-либо подпитки из вне. Технология запатентована и многие ученые уже повторили опыт Стивена Марка, но из-за некоторых особенностей схемы она еще не пущена в обиход.

Принцип работы прост: в кольце генератора создается резонанс токов и магнитные вихри, они способствуют появлению в металлических отводах токовых ударов. Рассмотрим наглядно, как сделать тороидальный генератор, чтобы добыть электричество из воздуха:

1. Вам понадобится основание (это может быть кусок фанеры в форме кольца, отрезок резины, полиуретана и т. д.), две коллекторные катушки (внутренняя и внешняя) и катушки управления. Индивидуальный чертеж может иметь другие размеры, но в основании берется кольцо с наружным диаметром 230 мм, внутренним 180 мм, шириной 25 мм и толщиной 5 мм. Вырежьте из основания кольцо этого размера; Фото — основание
2. Теперь нужно намотать внутреннюю коллекторную катушку. Намотка трехвитковая, производится многожильным проводом из меди. Специалистами заявляется, что и одного витка намотки будет достаточно для запитки лампочки и проведения эксперимента;
3. Управляющих катушек – четыре штуки, каждая из них должна находиться под прямым углом, в противном случае, будут создаваться помехи магнитному полю. Намотка плоская, зазор между отдельными витками (катушками) примерно 15 мм, но это зависит от особенностей выбранного материала; Фото — четыре катушки
4. Для намотки управляющих катушек могут использоваться медные одножильные провода, на описываемый размер рекомендуется делать 21 виток;
5. Для установки последней катушки используется медный провод с изоляцией. Он наматывается по всей площади основания. Фото — конечная обмотка

На этом конструирование можно считать завершенным. Теперь нужно соединить выводы. Предварительно нужно между выводами обратной земли и земли установить конденсатор на 10 микрофарад. Для запитки схемы используются скоростные транзисторы и мультивибраторы. Они подбираются опытным путем, т. к. их характеристики зависят от размера основания, видов провода и некоторых других особенностей конструкции. Для управления схемой можно использовать стандартная кнопка питания (ВКЛ – ВЫКЛ). Для более подробной информации рекомендуем просмотреть видео по генератору Стивена Марка в Xvid или TVrip-качестве.

Не менее нашумевшим открытием стал генератор Капанадзе. Этот бестопливный источник энергии был презентован в Грузии, сейчас он тестируется. Генератор позволяет добывать электричество из воздуха без использования сторонних ресурсов.

Фото — предположительная схема генератора Капанадзе

В основе его работы лежит катушка Теслы, которая расположена в специальном корпусе, накапливающем электроэнергию. В свободном доступе есть видео с конференции и опыты, но нет никаких документов, реально подтверждающих существование этого изобретения. Схема не разглашается.

Коронакризис и энергетика: тройной удар

Фото: Bo Insogna

«Не спад, а шок»

По мнению авторов исследования, нынешний кризис может стать самой глубокой экономической рецессией со времен Великой депрессии 1930-х годов: «Уже очевидно, что глобальный кризис, вызванный распространением коронавирусной инфекции COVID-19 – это не обычный циклический спад, а шок, способный привести к серьезному изменению организации мировой экономики, общественного устройства и энергетических рынков».

Как считают аналитики, коронакризис наносит тройной удар энергетическим отраслям: он влияет на устойчивость работы предприятий, последствия от ограничительных мер ведут к резкому спаду экономической активности и сокращению спроса на энергоресурсы. Кроме того, вирус привел к жесткой ценовой конкуренции, а также резкому падению цен на энергоносители. При этом говорить, что причина всех бед – пандемия, не стоит: этот процесс лишь активизирован коронакризисом, а давление на спрос и цены на рынках углеводородов наблюдалось и раньше.

Климатическая повестка, планы декарбонизации целых стран, рост межтопливной конкуренции (развитие электротранспорта, других альтернативных видов топлива), рост энергоэффективности – все это усиливало ожидание пика потребления и долгосрочного снижения цен. Нынешний кризис наглядно продемонстрировал, как могут разворачиваться события для производителей, если не будет найдена новая устойчивая модель развития нефтегазовой отрасли в глобальных масштабах, считают эксперты Сколково.

Что будет с нефтью?

Сегодня этот вопрос волнует не только нефтяных магнатов, но и правительства, и граждан стран, экономика которых зависит от «черного золота». Аналитики Сколково утверждают, что вызовы для нефтяной отрасли настолько серьезны, а ставки для стран-производителей ископаемых энергоресурсов настолько высоки, что игнорировать их нельзя. Можно, конечно, надеяться на сценарий «традиционная траектория», при котором после коронакризиса рынок вернется к норме, спрос восстановится и продолжит увеличиваться, а позиции нефтегазовой отрасли останутся сильными. Но рынки неизбежно почувствуют колоссальный провал в инвестициях, вызванный карантинными мерами, который приведет к очередному скачку нефтяных цен. Что в свою очередь вызовет спрос на дешевую возобновляемую энергию.

Выполненные расчеты демонстрируют, что даже при самом оптимистичном сценарии доходы от экспорта нефти снизятся в два с половиной раза по сравнению с докризисными, при этом вполне возможны и более негативные сценарии с падением в 2020 г. доходов от экспорта в 4-10 раз. А если развитие пойдет по пессимистическому сценарию, подразумевающему снижение мирового спроса на 11 млн барр./сут., это может практически лишить российский бюджет поступлений от налога на добычу полезных ископаемых и экспортной пошлины.

Возможно, дальнейшие события будут развиваться по сценарию «ускорения энергоперехода», при котором интерес и доверие инвесторов к нефтяной отрасли значительно падают. Те немногие, кто смог получить прибыль во время кризиса, например, всевозможные службы доставки, могут начать активно переводить свой транспорт на альтернативные источники энергии (электричество для легковых и водород для грузовых автомобилей).

Хотя из-за рецессии будет ощущаться нехватка средств для финансирования энергоперехода, однако низкие цены на углеводороды могут привести к введению углеродного налога, доходы от которого могут быть направлены на дальнейшее финансирование введения новых мощностей ВИЭ. Кроме того, в этом случае массированная господдержка будет направлена, в первую очередь, на стимулирование «зеленой» энергетики, что опять же даст преимущество отраслям, конкурирующим с нефтегазовой.

Низкие цены на нефть вынудят производителей с высокими издержками постепенно покинуть рынок (в группе риска: канадские нефтяные пески, высоковязкая нефть, проекты на глубоководном шельфе, арктические проекты и часть сланцевых проектов в США). Это заставит оставшихся производителей сконцентрироваться на том, что уже есть, а, значит, повышать продуктивность и энергоэффективность на действующих месторождениях. Более того, климатическая повестка и рост спроса на «зеленую» нефть и «зеленый» газ будут еще больше стимулировать этот тренд. Будут развиваться проекты по хранению СО2 и расти инвестиции в альтернативные источники энергии на промыслах.

Газовая отрасль, тепло- и электроэнергетика, по мнению экспертов, пострадают в меньшей степени, чем нефтяная. Однако сильное падение спроса может спровоцировать ситуацию, схожую с ситуацией в нефтяной сфере. Эксперты отмечают, что существует значительный риск изменения сроков реализации текущих проектов, корректировки инвестиционных программ, заморозке и полной отмене части новых, в особенности капиталоемких, проектов, а также фундаментальные изменения контрактной модели и системы ценообразования.

Пандемия оказала негативное влияние на инвестиции во все имеющиеся масштабные долгосрочные инвестиционные проекты (ДПМ, ДПМ-ВИЭ, инвестпрограммы сетевых компаний, программы строительства и модернизации генерации на Дальнем Востоке и т. д.), так как они планировались, исходя из устойчивого роста спроса на электроэнергию и экономического роста в 1-3% в год. Даже если удастся сохранить инвестиционные программы в первоначальном виде, это может привести к чрезмерной нагрузке на потребителей электроэнергии и росту цен выше инфляции, что противоречит политике государства, направленной на сдерживание цен на электроэнергию и поддержке экономики в условиях коронакризиса, считают в Сколково.

Декарбонизация – новая реальность

Для России, по мнению экспертов, сложившаяся на энергетическом рынке ситуация означает резкое сокращение доходов от экспорта – как выручки компаний, так и бюджетных поступлений. Российская энергетика незамедлительно ощутила на себе радикальное изменение конъюнктуры внешних рынков и падение экспортных доходов. Валовый внутренний продукт (ВВП) страны и без непосредственного влияния коронавируса и связанных с ним ограничительных мер может снизиться дополнительно на 5-13% в 2020 г. в зависимости от сценария.

Хотя после кризиса добыча будет постепенно восстанавливаться, растущие цены на нефть снова подстегнут интерес к альтернативным источникам энергии и росту энергоэффективности. Цикл замкнется. И в этом случае, – считают в Сколково, – российский нефтегазовый сектор столкнется с кризисом недоинвестированности и снижением добычи. Ожидать при этом значительных структурных изменений в отрасли не стоит – поэтому, вероятнее всего, она окажется не готова к очередному витку энергоперехода, и текущая тяжелая ситуация может повториться в перспективе по мере снижения глобального спроса на нефть.

Отдельный аспект проблемы, который, по мнению специалистов Сколково, имеет особое значение для России, – это растущий тренд на декарбонизацию нефтегазовой индустрии и ужесточение требований со стороны покупателей к углеродному следу ископаемых видов топлива. В условиях огромного избытка предложения, потребители могут принять коллективное решение об отказе от наиболее «грязной» части предложения за счет введения запретительных мер для топлива, не соответствующего новым стандартам. Такой подход позволит одновременно и простимулировать новые технологии (и через них всю экономику), и снизить эмиссию парниковых газов, и элиминировать часть избыточного предложения на рынке.

Для России реализация всех сценариев посткоронавирусного развития создает как риски, так и открывает новые возможности. Становится очевидно, что энергопереход как процесс неизбежен – это только вопрос времени. Это значит, что даже в условиях восстановления рынка к некой привычной норме, нефтегазовым компаниям для того, чтобы оставаться конкурентоспособными, необходимо внедрять «зеленые» технологии по всей производственной и логистической цепочке.

«Российский нефтегазовый сектор получил сегодня жесткий стимул задуматься о перспективах неизбежной реструктуризации отрасли и о том, как вписать углеводороды в набирающую обороты глобальную «зеленую» повестку», – говорит директор Центра энергетики Московской школы управления Сколково Татьяна Митрова.

Люди не вернутся в офисы

Волна цифровизации захлестнет сферу энергетики, считают аналитики, ведь внедрение цифровых решений и платформ сейчас из способов повышения операционной эффективности превратилось в средство для выживания бизнеса.

«Важность децентрализации энергетики во время карантина проявляется в полной мере – почти весь мир за пару недель перешёл на удаленную работу, и требования к надежности энергоснабжения домохозяйств и медицинских учреждений стали беспрецедентными», – говорят авторы исследования.

Как отмечают эксперты, распределенная энергетика в последние годы уже демонстрировала заметно более высокие темы роста, чем централизованная. Массовый переход людей на работу из дома во время карантина может спровоцировать существенный рост инвестиций в этот сектор: «В этом случае возрастет спрос на рынке микрогридов — домашних электростанций, систем хранения энергии, систем управления и разнообразных потребительских сервисов распределенной энергетики».

Энергопереход в ускоренном режиме

Фактически для всех участников мирового рынка коронакризис дает уникальную возможность – попробовать на практике, в ускоренном режиме, как выглядит давно обсуждаемый пик спроса на углеводороды, отмечают авторы доклада: «Текущая ситуация на рынках наглядно продемонстрировала, что выигравших среди производителей в такой ситуации не будет. Поэтому особую важность приобретают долгосрочные коллективные действия, направленные на поиск новой модели развития всего нефтегазового сектора в условиях декарбонизации».

Пандемия наглядно продемонстрировала масштабы понятия «глобальная угроза» и низкую готовность общества адекватно реагировать на такие угрозы. В публичном пространстве, по мнению экспертов, все чаще выдвигается тезис, что изменение климата – одна из непосредственных причин возникновения пандемий. Дискуссии о том, что дешевле – избегать глобальных угроз или приспосабливаться к их последствиям, – после COVID-19, вероятно, развернутся с новой силой, – считают аналитики.

Теория причины атмосферного электричества

Идея о том, что Солнце испускает большое количество лучей Беккереля, нашла значительную поддержку в научном мире и использовалась для объяснения ряда трудностей, связанных, например, с космической физикой. , источник солнечной энергии и хвостов комет. Есть еще одна старая постоянная трудность, которую он, кажется, может решить, а именно. постоянное поддержание электрического поля в нижних частях земной атмосферы.Если мы примем как должное, что Солнце постоянно испускает лучи Беккереля, состоящие из положительных и отрицательных электронов, можно было бы ожидать, что следствием этого будет следующее. Некоторые электроны, которые достигают земной атмосферы, будут поглощаться – вероятно, в основном водяным паром и пылью в нижних слоях атмосферы – но, согласно экспериментам Резерфорда, скорее положительные, чем отрицательные; таким образом, мы можем ожидать, что большее количество отрицательных электронов достигнет поверхности, соответствующее количество положительных электронов задерживается воздухом. Мы сразу видим причину положительного заряда воздуха и соответствующего отрицательного заряда на поверхности. Если бы не было «диссипации», результатом была бы постоянная зарядка атмосферы или постоянно увеличивающийся градиент потенциала над земной поверхностью; но есть рассеяние, которое уравновешивает тенденцию к увеличению электрического поля. Если бы у нас была постоянная диссипация, результатом был бы максимальный градиент потенциала днем ​​и минимум ночью, поскольку мы должны предположить, что днем ​​больше электронов достигает атмосферы, чем ночью.Но мы знаем из измерений Эльстера и Гейтеля, что диссипация достигает максимума в полдень; это будет иметь тенденцию к уменьшению максимального градиента потенциала, который в противном случае был бы достигнут примерно в то же время. Это соображение полностью согласуется с фактом, поскольку Экснер описал дневное изменение градиента потенциала как «простой дневной период, искаженный полуденной депрессией». При достаточно постоянном суточном периоде входа электронов в атмосферу главным определяющим фактором градиента потенциала будет диссипация; таким образом, мы находим максимальный градиент потенциала зимой с соответствующей минимальной диссипацией. Связь между градиентом потенциала и диссипацией была тщательно исследована Эльстером и Гейтелем, и они экспериментально обнаружили, что то, что имеет тенденцию уменьшать диссипацию, имеет тенденцию увеличивать градиент потенциала, чего и следовало ожидать от теории. Мне кажется, что эта теория может объяснить гораздо больше проблем атмосферного электричества, но изложенное выше показывает общую идею.

Специальный выпуск: Атмосферное электричество

Уважаемые коллеги,

Хотя исследование атмосферного электричества имеет долгую историю, в каждый период делались эпохальные открытия.В последние десятилетия были обнаружены энергетическое излучение, вызванное молниями / грозой, кратковременные световые явления, такие как спрайты и эльфы, а также земные гамма-вспышки. В последнее время сложные исследовательские темы, такие как взаимосвязь между атмосферным электричеством и биологическими / биохимическими эффектами и взаимосвязь между атмосферным электричеством и климатом / суровой погодой, стали центром новых и революционных исследований. Орбитальные спутники и системы обнаружения молний позволяют получать новые данные, а численное моделирование, включая приложения искусственного интеллекта, дает новые и захватывающие представления о природе гроз.Поэтому мы планируем специальный выпуск, посвященный статьям, охватывающим все области, связанные с атмосферным электричеством.

Специальный выпуск об атмосферном электричестве, таким образом, открыт для междисциплинарных и различных исследований из традиционных областей исследований, таких как глобальная электрическая цепь, физика молний, ​​микрофизика аэрозолей и облаков и электрификация гроз, до современных областей исследований, таких как Энергетическое излучение, генерируемое молниями / грозой, кратковременные световые явления и эволюция климата Земли.

Мы приветствуем участие в различных статьях, таких как оригинальные исследования и обзоры.

Снимок сделал Оскар Ван дер-Вельде.

Проф. Д-р Масаши Камогава
Проф. Д-р Йоав Яир
Приглашенные редакторы

Информация для подачи рукописей

Рукописи должны быть отправлены онлайн по адресу www. mdpi.com, зарегистрировавшись и войдя на этот сайт. После регистрации щелкните здесь, чтобы перейти к форме отправки.Рукописи можно подавать до указанного срока. Все статьи будут рецензироваться. Принятые статьи будут постоянно публиковаться в журнале (как только они будут приняты) и будут перечислены вместе на веб-сайте специального выпуска. Приглашаются исследовательские статьи, обзорные статьи, а также короткие сообщения. Для запланированных статей название и краткое резюме (около 100 слов) можно отправить в редакцию для объявления на этом сайте.

Представленные рукописи не должны были публиковаться ранее или рассматриваться для публикации в другом месте (за исключением трудов конференции).Все рукописи проходят тщательное рецензирование путем слепого рецензирования. Руководство для авторов и другая важная информация для подачи рукописей доступна на странице Инструкции для авторов. Atmosphere – это международный рецензируемый ежемесячный журнал с открытым доступом, публикуемый MDPI.

Пожалуйста, посетите страницу Инструкции для авторов перед отправкой рукописи. Плата за обработку статьи (APC) для публикации в этом журнале с открытым доступом составляет 1800 швейцарских франков.Представленные статьи должны быть хорошо отформатированы и написаны на хорошем английском языке. Авторы могут использовать MDPI Услуги редактирования на английском языке перед публикацией или во время редактирования автора.

атмосферного электричества | Оксфордская исследовательская энциклопедия планетологии

Молния – это кратковременный сильноточный разряд с длиной пути в несколько километров. Обычно он длится доли секунды и состоит из нескольких частичных разрядов, которые называются инсультами. Типичная амплитуда тока при таких ударах составляет 30 кА.Сильный ток вызывает внезапный нагрев канала молнии примерно до 30 000 ° C; затем воздух в канале и вокруг него быстро расширяется, вызывая звуковой сигнал, известный как гром (Умань, 1987). Вспышки молний опасны, и они всегда вызывали страх и уважение в человечестве. Это очевидно из той роли, которую молния играла в древних религиях и мифологиях. Ранние статуи Будды изображают его с молнией. Считалось, что нордический бог Тор производит молнию, ударяя молотком по наковальне.Во многих языках название пятого дня недели восходит к Тор, например, «четверг» на английском языке, «Donnerstag» (Donner = гром) на немецком или «Torsday» на датском. Считалось, что греческий бог Зевс (позже соответствующий римскому богу Юпитеру) использовал молнию как оружие, чтобы показать свою силу. В искусстве американских индейцев можно найти изображения мистической грозовой птицы, взмахи крыльев которой производили звук грома. Молния вызывает лесные пожары, и использование огня сыграло большую роль в развитии цивилизации.

Другие типы разряда имеют гораздо меньшие токи. Коронный разряд возникает, когда небольшой ток течет от электрода в окружающий воздух, создавая область ионизированного воздуха (плазмы) вокруг электрода. Такие короны часто возникают в виде голубоватого свечения на сильно заряженных проводниках с острыми концами, и они могут вызвать значительные потери мощности для высоковольтных электрических сетей. Подобное свечение возникает и в газоразрядных лампах. Когда электрическое поле превышает пороговое значение, коронный разряд превращается в стримерный разряд с нитевидными разрядными каналами.Это происходит, когда электроны, генерируемые ионизацией, продолжают сталкиваться с другими молекулами в цепной реакции, вызывая лавину электронов. Пороговое напряжение также называется напряжением пробоя, и для сухого воздуха при давлении 1000 гПа это значение составляет 3 × 10 ⁶ В · м ^-1 (или 30 кВ для зазора в 1 см). Считалось, что локальное усиление электрических полей в грозовых облаках может привести к пробою и возникновению молнии (см. Раздел «Генерация электрических разрядов»).Однако самые сильные электрические поля, измеренные в грозовых облаках, составляют около 10 ⁵ В · м ⁻¹ , что на порядок ниже, чем при обычном поле пробоя (Dywer & Uman, 2014). Эти значения относятся к макроскопическим полям, которые измеряются при запуске воздушных шаров в развивающиеся грозы; они не обязательно представляют собой интенсивные поля, существующие в гораздо меньших масштабах. Поле пробоя также уменьшается при более низком атмосферном давлении в облаке и при наличии гидрометеоров (жидких или твердых частиц воды, взвешенных в воздухе), но недостаточно, чтобы объяснить расхождение между измеренными электрическими полями и существованием молнии (Дубинова и другие., 2015). Есть еще одна теория, называемая «безудержный пробой». Релятивистские электроны, движущиеся почти со скоростью света, могут создавать релятивистскую лавину убегающих электронов при меньших электрических полях примерно 10 ⁵ В · м ^-1 (Гуревич, Милих, & Руссель-Дюпре, 1992). Чтобы запустить этот процесс убегания, необходимы электроны космических лучей высокой энергии.

Светящиеся разряды, называемые спрайтами, синими струями и эльфами (вместе именуемые кратковременными световыми явлениями [TLEs]), существуют над грозами.Спрайты появляются на расстоянии 40–90 км в виде больших красных или оранжевых полос с усиками. Они могут быть вызваны выходом из строя из-за сильных электростатических полей от грозы внизу. Синие струи распространяются вверх от вершины грозовых облаков в виде синих конусовидных структур. Обычно они поднимаются на высоту 40 км, но есть также гигантские струи, которые устанавливают прямой путь электрического контакта между вершинами грозовых облаков и нижней ионосферой. Эльфы – это расширяющиеся в радиальном направлении горизонтальные круги света из точки, расположенной высоко над причинной вспышкой молнии, происходящей на высоте около 90 км (Pasko, Yair, & Kuo, 2012).Из-за низкой светимости все эти TLE были обнаружены и исследованы относительно недавно, начиная с 1990-х годов. Нобелевский лауреат К. Т. Р. Уилсон на теоретических основаниях предположил, что электрический пробой мог произойти на больших высотах, и он, возможно, также лично был свидетелем спрайта (Wilson, 1956). Первая запись спрайта была сделана случайно летом 1989 года, когда ученые из Университета Миннесоты протестировали видеокамеру при слабом освещении (Franz, Nemzek, & Winkler, 1990). Пока что TLE наблюдались только на Земле, но они могут существовать и на других планетах (Yair et al., 2009; Перес-Инвернон и др., 2017).

Шаровая молния, бусовая молния или вулканическая молния представляют собой необычные типы естественного разряда (Раков и Умань, 2003). Существует множество достоверных свидетельств о шаровой молнии, но вряд ли существует настоящая научная документация из-за ее редкости. С другой стороны, молния из бусинок – это хорошо задокументированное оптическое явление, при котором канал видимой молнии распадается на светящиеся фрагменты, и эти «бусинки», по-видимому, служат дольше (~ 1-2 с), чем обычная молния, которая длится около 30 мкс.Впечатляющие вулканические молнии часто наблюдались в выброшенном материале над активными вулканами. Этот материал состоит из осколков породы, пепла и частиц льда, которые сталкиваются и создают статические заряды. Фрактоэмиссия также может способствовать возникновению вулканических молний, ​​производя заряд при разрушении горных пород (см., Например, Aplin, Bennett, Harrison, & Houghton, 2016; Rakov & Uman, 2003).

Возникновение электрических разрядов

Грозовые облака, как известно, содержат заряженные частицы с середины 18 века, когда Бенджамин Франклин провел свой знаменитый эксперимент с воздушным змеем: электрические искры выскочили из ключа, привязанного к нижней части проводящей струны воздушного змея, до его суставов.Франклин не полностью осознавал опасность своего эксперимента, поскольку прямой удар молнии по воздушному змею в грозовой туче мог убить его. Его работу также можно рассматривать как первый атмосферный электрический эксперимент (Раков, Умань, 2003). В настоящее время вспышки молний можно вызвать искусственно, запустив небольшую ракету с тонкой проволокой, которая перекрывает разрыв между землей и заряженным облаком над головой.

Основным источником молний является облако типа «кучево-дождевые».«Конвективные облака образуются, когда большие массы теплого и влажного воздуха поднимаются на большую высоту, где они охлаждаются. Влага конденсируется на аэрозолях с образованием капель воды, составляющих видимое облако. При температурах от 0 до -40 ° C жидкие капли воды сосуществуют с частицами льда, и в этой области смешанной фазы происходит электризация. В 21 веке наиболее широко распространенным процессом электрификации в грозовых облаках является перенос заряда за счет столкновений между граупелем (мягким градом) и кристаллами льда в присутствии капель воды при отрицательных температурах, в основном ниже −10 ° C (Rakov & Uman, 2003).В этом процессе более тяжелые частицы крупы обычно приобретают отрицательный заряд, тогда как более легкие кристаллы льда заряжаются положительно. Более мелкие положительно заряженные частицы переносятся на большую высоту, что приводит к облаку, которое обычно положительно заряжено в верхней части и отрицательно заряжено внизу. Типичное грозовое облако также состоит из отрицательного экранирующего слоя наверху и карманов положительного заряда внизу облака (Stolzenburg, Rust, & Marshall, 1998). Таким образом, основными составляющими образования гроз являются вертикальная конвекция теплого и влажного газа, наличие частиц, которые могут заряжаться в результате столкновений, и крупномасштабный процесс разделения зарядов.

Двумя наиболее распространенными типами грозовых разрядов являются разряды молнии внутри облака (IC) и разряды облако-земля (CG). Около 90% всех молний CG инициируется движущимся вниз отрицательно заряженным лидером молнии. (Существует также положительная молния, создаваемая положительно заряженными лидерами, идущими на землю; например, большинство спрайтов связаны с большими положительными вспышками молний.) Оптически слабый лидер создает отрицательно заряженный путь под облаком, который спускается ступенчато с типичной длиной несколько десятков метров.Ток лидера находится в диапазоне 1 кА, а несколько кулонов заряда распределены по каналу. Когда ступенчатый лидер приближается к земле, приподнятые объекты, такие как башни или деревья, могут испускать соединительные ленты, и слияние такой ленты с лидером называется «присоединением». Кончик лидера внезапно поднимается до потенциала Земли, и потенциальная волна поднимается до основания облака за несколько десятков микросекунд со скоростью до 10 ⁸ мс ^-1 .Это так называемый первый обратный ход, при котором протекает наибольший ток. За первым обратным ходом могут последовать несколько последующих обратных ударов, которые сами инициируются лидерами дротиков. Высокоскоростное видео вспышки молнии покажет слабый нисходящий ступенчатый лидер, за которым следует яркий восходящий ответный удар, поскольку интенсивность света сильно коррелирует с величиной тока (Idone & Orville, 1985).

Методы наблюдений

Различные фотоэлектрические датчики использовались для наблюдения за молниями из космоса, с самолетов и с наземных станций.Во времена аналоговой фотографии изображения молний получали с помощью полосовой камеры, которая использовала непрерывное относительное движение между линзой и пленкой для разрешения кратковременных явлений. В 21 веке, конечно, цифровая фотография захватила власть, и высокоскоростные видеокамеры могут записывать фильмы с частотой в миллионы кадров в секунду.

Молния приводит к большим изменениям электростатического поля на близких расстояниях. Изменение электростатического поля из-за вспышки на расстоянии 5 км составляет около 10 ⁴ Вм ⁻¹ , и все еще около 1 Вм ⁻¹ на расстоянии 100 км (Умань, 1987).Такие электрические поля могут быть измерены полевыми мельницами или другими системами измерения электрического поля, использующими приподнятую плоскую пластинчатую антенну. Что еще более важно, молнию можно обнаружить с больших расстояний, и известно, что она излучает значительную электромагнитную энергию в большом диапазоне частот. На чрезвычайно низких частотах вспышки молний вызывают глобальные электромагнитные резонансы, называемые резонансами Шумана, в полости, образованной поверхностью Земли и ионосферой. Их можно зарегистрировать с помощью высокочувствительных измерений электрического и магнитного поля на исследовательских станциях по всему миру, а первый фундаментальный резонанс находится на отметке 7.8 Гц. Импульсные сигналы, такие как молния, очень широкополосны, а радиоспектр молнии простирается от нескольких Гц до примерно 300 МГц с пиком в спектре плотности энергии около 10 кГц. Это связано с тем, что КГ-молнию можно рассматривать как четвертьволновую антенну со средней длиной 7–8 км, а электромагнитная волна с длиной волны 4 × 7,5 = 30 км имеет частоту 10 кГц. Радиоатмосферные сигналы, называемые «сфериками», в диапазоне ОНЧ (очень низкая частота, от 3 до 30 кГц) могут легко приниматься за тысячи километров от их источника, поскольку они в основном отражаются земной ионосферой.Однако часть энергии также может выходить из волновода Земля-ионосфера и попадать в магнитосферу. Затем сигнал рассеивается плазмой около Земли и образует так называемый свистящий сигнал, что означает, что более низкие частоты распространяются медленнее – это дает свистящий звук (при преобразовании в звуковой сигнал). Вистлеры распространяются вдоль силовых линий магнитного поля, где они могут быть обнаружены спутниками или наземной станцией в магнитно-сопряженной точке на другом полушарии. Сферики на более высоких частотах, превышающие ионосферную граничную частоту около 10 МГц, могут напрямую проходить через ионосферу и свободно распространяться к антенной системе на спутнике.Электромагнитные импульсы одиночных ударов обычно длятся всего несколько десятков микросекунд, но полная вспышка, состоящая из нескольких ударов, может длиться доли секунды. Разрозненные свистящие сигналы могут длиться даже несколько секунд.

Молния также может быть обнаружена на микроволновых частотах (от 300 МГц до 300 ГГц) и, очевидно, в видимой области (около 5 × 10 ¹⁴ Гц). На еще более высоких частотах всплески рентгеновского и гамма-излучения, генерируемые грозами, были впервые обнаружены в 1994 году в ходе эксперимента на борту обсерватории гамма-излучения Комптона, спутника НАСА (Fishman et al., 1994) и названы TGF (наземные гамма-вспышки).

Молния на Земле

Обнаружение земных молний из космоса становится все более важным. По крайней мере, дюжина спутников использовала оптические детекторы, радио инструменты или, в лучшем случае, комбинацию того и другого. Например, спутник FORTE (Быстрая запись переходных событий на орбите) и будущая миссия Taranis (Инструмент для анализа радиации от LightNIng и Sprites) имеют множество инструментов для специального исследования гроз и молний на Земле. ¹ Многие наземные системы обнаружения молний были созданы для определения местоположения, интенсивности и движения гроз в режиме реального времени. Эта информация используется авиационными и метеорологическими службами или страховыми компаниями для обнаружения повреждений, вызванных молнией. Такие сети обнаружения могут использовать множество различных методов определения местоположения, основанных на амплитудах электрического поля, определении направления магнитного поля с рамочными антеннами, времени прибытия поля излучения, отраженных сигналах радара от молнии и дождя или направлении видимого света.Всемирная сеть определения местоположения молний в настоящее время использует 70 станций ОНЧ по всему миру для создания карт грозовой активности. ² Другими важными сетями являются Национальная сеть обнаружения молний США (NLDN) или EUCLID (Европейское сотрудничество по обнаружению молний), которая является результатом сотрудничества национальных европейских сетей обнаружения молний. ³

Глобальная частота вспышек на Земле составляет около 100 вспышек в секунду, и в любой момент активно около 2000 гроз.Эти оценки были впервые сделаны Бруксом (1925) на основе «громовых дней» (дня, когда слышен гром). Современные спутниковые измерения изменили эти значения до (44 ± 5) с ⁻¹ для частоты вспышек (Christian et al., 2003) и до 1100 гроз в час (Mezuman, Price, & Galante, 2014)

.

На рисунке 1 показано глобальное распределение молний. Большая часть грозовой активности происходит над сушей, поскольку интенсивность конвекции в океанических грозах меньше, чем над сушей (Cooray, 2015).Три основных горячих точки – это тропические регионы Южной Америки, Центральной Африки и Юго-Восточной Азии. Высокая активность также наблюдается в северной Австралии и на суше вокруг Мексиканского залива. В арктических и антарктических регионах почти нет молний.

Рис. 1. Глобальное распределение молний с цветовым кодом, относящимся к годовому количеству вспышек молний на квадратный километр с данными с апреля 1995 по февраль 2003 года, полученными с помощью оптического детектора переходных процессов и датчика изображения молний НАСА.

Предоставлено: NASA MSFC Lightning.

Планетарная молния

В следующих разделах мы обсуждаем электрические разряды на планетах земной группы Венере и Марсе, газовых гигантах Юпитере и Сатурне, а также ледяных гигантах Уране и Нептуне. Из-за разреженной атмосферы Меркурия и карликовой планеты Плутон там не должно быть молний. Молния также может существовать на некоторых из многочисленных экзопланет, обнаруженных за последние два десятилетия. Однако из-за больших расстояний экзопланетные молнии до сих пор не идентифицированы (например,г., Hodosán, Rimmer, & Helling, 2016).

Венера

Венера почти такая же большая, как Земля, и имеет значительную атмосферу, состоящую в основном из углекислого газа. Из-за близкого расстояния от Солнца (~ 0,7 а.е.) и значительного парникового эффекта температура его поверхности составляет около 470 ° C при давлении 90 бар. Считается, что молния могла произойти в густых облаках серной кислоты Венеры, расположенных на высоте около 60 км (Russell, 1993). Однако существование молний остается спорным (Yair, 2012), поскольку облака в основном стратиформные, демонстрируя мало признаков конвекции и нестабильности, за исключением экваториальной области.Имеются некоторые свидетельства в данных оптического, ОНЧ и высокочастотного радиоизлучения для молний, ​​но все наблюдения являются единичными с возможными альтернативными объяснениями, и никаких комбинированных наблюдений (например, одновременных оптических и радиоизлучений) не существует (Fischer, Gurnett, & Яир, 2011а).

Есть два предварительных оптических обнаружения молний Венеры. Первым был создан спектрометр свечения на борту советского космического корабля «Венера-9», который зарегистрировал несколько импульсов с характерной длительностью 0.25 с (Краснопольский, 1983). Вторым было телескопическое наблюдение с Земли с помощью 153-сантиметрового телескопа и ПЗС-детектора (Hansell, Wells, & Hunten, 1995). Несмотря на огромный прогресс в цифровой фотографии с 1990-х годов, многие попытки повторить этот эксперимент потерпели неудачу, равно как и поиски с помощью оптических инструментов на космических кораблях. Правильная идентификация коротких оптических вспышек является нетривиальной задачей, поскольку ошибки пикселей, удары космических лучей или кратковременный рассеянный свет могут привести к ложноположительным обнаружениям.Наиболее полный поиск TLE на ночной стороне Венеры был проведен недавно с использованием видимых каналов прибора VIRTIS (Visible and InfraRed Thermal Imaging Spectrometer) на борту космического корабля Venus Express (Cardesín Moinelo et al., 2016). Были обнаружены тысячи сигналов, но все они могут быть объяснены космическими лучами, падающими на детектор.

Есть больше свидетельств молнии Венеры в радиодиапазоне. Российские корабли «Венера» зарегистрировали импульсные ОНЧ-радиосигналы при спуске на поверхность Венеры (Ксанфомалити, 1980).Детектор электрического поля орбитального аппарата Pioneer Venus Orbiter Electric Field Detector (OEFD) имел четыре частотных канала и измерял импульсные сигналы в ночной ионосфере Венеры, которые интерпретировались как свист молнии. Поскольку трудно идентифицировать вистлеры с таким ограниченным частотным разрешением, эти всплески вызвали много дискуссий (Taylor & Grebovsky, 1985). Точно так же всплески, обнаруженные магнитометром на борту Venus Express, также приписывались свистам молний (Russell et al., 2007). Прибор плазменных волн Galileo обнаружил несколько слабых импульсных всплесков на высоких частотах во время пролета Венеры в 1990 г. (Gurnett et al., 1991). Однако такие всплески не были обнаружены прибором Cassini RPWS (Radio and Plasma Wave Science) во время двух облетов Кассини в 1998 и 1999 годах (Gurnett et al., 2001). Правильная идентификация импульсных радиосигналов также является нетривиальной задачей, поскольку они могут быть легко вызваны шумом в электрических цепях, ударами частиц или другими радиочастотными помехами.

Марс

Марс, вероятно, имел гораздо более плотную атмосферу в своей истории, но со временем он был унесен солнечным ветром из-за более низкой гравитации и отсутствия значительного магнитного поля по сравнению с Землей (Haberle et al., 2017). Сегодня разреженная атмосфера Марса в основном состоит из углекислого газа с поверхностным давлением всего 6 гПа. Атмосферное электричество на Марсе не связано с его тонкими перистыми облаками, но считается, что марсианские пыльные бури являются источником электрической активности (Melnik & Parrot, 1998). Трибоэлектрическая зарядка песка и пыли может создавать сильные электрические поля в земных пыльных бурях и пыльных дьяволах (например, Harrison et al., 2016), и аналогичные явления ожидаются для Марса. Фаррелл и др. (1999) предположили, что электрические поля в марсианском пылевом дьяволе ограничены низким пробивным напряжением 10 кВм ^-1 в марсианской атмосфере низкого давления.Пробой может произойти из-за коронного разряда, тлеющего разряда или искрового разряда, подобного земной вулканической молнии. Gurnett et al. (2010) искали импульсные радиосигналы во время пыльных бурь с помощью радиолокационного приемника на борту Mars Express, но их не обнаружили, поэтому любые разряды могут быть слабыми. На Марс не было доставлено ни одного пакета инструментов, посвященного атмосферному электричеству, но будущая наземная платформа ExoMars2020 содержит инструмент, который может обнаруживать разряды молний (Колмасова, Сантолик и Скальски, 2017).

Юпитер

Газовые гиганты Юпитер и Сатурн в основном состоят из водорода и гелия. Оба имеют трехслойную структуру облаков с верхними облаками льда из аммиака (около 1000 гПа), промежуточным облачным слоем гидросульфида аммония и слоем глубоководных облаков. Температура на уровне 1000 гПа составляет около -140 ° C как для Юпитера, так и для Сатурна, но атмосфера Сатурна обычно более протяженная из-за его меньшей силы тяжести. Уровень замерзания 0 ° C находится в слое водяных облаков, 5 000–6 000 гПа для Юпитера (~ 100 км ниже вершины облаков), но 8 000–10 000 гПа для Сатурна (~ 200 км ниже вершины облаков).Ниже этого уровня частицы ледяного водяного облака постепенно превращаются в жидкие капли, при этом предполагается, что электризация частиц и последующие разряды имеют место в этой смешанной фазовой области, подобной Земле.

Существование молний на Юпитере не вызывает сомнений, поскольку многие космические аппараты регистрировали оптические вспышки на его ночной стороне. Первое свидетельство было получено с камеры «Вояджера-1» (Cook, Duxbury, & Hunt, 1979), а затем камеры на «Вояджере-2», «Галилео» и «Кассини» – все снимали вспышки.New Horizons обнаружила оптические вспышки в обоих полушариях до высоких широт 80 °, с особенно активными областями около 50 ° северной широты. Дополнительное подтверждение пришло из обнаружения свистов (Gurnett, Shaw, Anderson, & Kurth, 1979), а детектор молний и радиоизлучений (LRD) зонда Galileo наблюдал сферики VLF молний внутри атмосферы Юпитера во время спуска зонда (Lanzerotti et al. ., 1996). Интересно, что до сих пор не было обнаружено никаких сфериков в высокочастотном диапазоне, и это может быть связано с сильным затуханием сигналов в ионосфере Юпитера (Zarka, 1985).Последнее обнаружение молний на Юпитере произошло с космического корабля Juno, который с середины 2016 года находится на близкой полярной орбите вокруг Юпитера. Несколько свистов молний были обнаружены прибором Juno Waves (Kurth et al., 2017), и, к удивлению, микроволновым радиометром Juno (MWR) были обнаружены сигналы, приписываемые молнии на частоте около 1 ГГц (Janssen, личное сообщение).

Сатурн

Помимо Земли, Сатурн, вероятно, является планетой, о которой больше всего известно о молниях.Это связано с длительной миссией Кассини, которая находилась на орбите Сатурна в течение 13 лет с 2004 по 2017 год. Первое указание на молнию в атмосфере Сатурна было получено в ноябре 1980 года радиоинструментом на борту «Вояджера-1», когда он пролетал мимо. Были обнаружены сильные импульсные сигналы в частотном диапазоне нескольких МГц, которые были названы SED для электростатических разрядов Сатурна (Warwick et al., 1981). Однако на снимках “Вояджера” не было обнаружено соответствующих грозовых облаков. Миссия Кассини четко установила атмосферное происхождение SED, объединив изображения и радио.Его камеры обнаружили яркие образы облаков в так называемой грозовой аллее Сатурна на планетоцентрической широте 35 ° южной широты, и облака были ярче, когда скорость SED была высокой (Дюдина и др., 2007; Фишер и др., 2007). Сильная вертикальная конвекция может подтолкнуть частицы облака над самым верхним слоем облаков аммиака, образуя яркое пятно размером 2000 км, которое наблюдали астрономы-любители на Земле, а также Кассини (Fischer et al., 2011b). Поскольку молния Сатурна находится глубже в атмосфере, чем молния Юпитера, оптические вспышки было труднее отобразить, но это стало возможным во время равноденствия Сатурна (август 2009 г.), когда свечение колец на ночной стороне было минимизировано.Камера «Кассини» зафиксировала освещенные вспышкой вершины облаков диаметром около 200 км (Дюдина и др., 2010), как видно на левой стороне рисунка 2. Оптическая энергия составляла 10 ⁹ Дж, что аналогично оптической энергии. энергия вспышек молний Юпитера. Это говорит о том, что молнии Юпитера и Сатурна похожи на суперболты с полной энергией около 10 ¹² Дж, тогда как средняя земная вспышка имеет полную энергию всего 10 ⁹ Дж. SED также примерно в 10 000 раз сильнее радиоизлучения от земных источников. молнии в диапазоне частот несколько МГц (Fischer et al., 2008). Это привело к их первому обнаружению с Земли на большом украинском радиотелескопе УТР-2 (Коноваленко и др., 2013).

Рис. 2. (Слева) изображения Кассини грозового облака Сатурна (2000 км в поперечнике) на 35 ° южной широты на ночной стороне планеты от ноября 2009 года. Яркие пятна диаметром около 200 км – это верхушки облаков, освещенные вспышками. (Справа) изображение Кассини Большого Белого Пятна (GWS) на Сатурне на 35 ° северной широты, февраль 2011 г.

Изображения из НАСА / Лаборатории реактивного движения / SSI.

SED были обнаружены прибором Cassini RPWS в более чем дюжине штормов, многие из которых располагались в «штормовом переулке» на 35 ° южной широты.Эти штормы продолжались от нескольких дней до нескольких месяцев, и был один шторм, который длился почти весь 2009 год. Были также длительные периоды затишья без SED, особенно в течение последних четырех лет миссии. Существует два разных класса гроз на Сатурне: обычные грозы размером 2000 км с частотой вспышек несколько SED в минуту (Fischer et al., 2008) и редкие и гигантские большие белые пятна (GWS) со скоростью SED 10 с ⁻¹ (Fischer et al., 2011c). GWS обычно происходит только один раз в год Сатурна (29,5 земных лет), и Кассини посчастливилось увидеть один в конце 2010 года, расположенный на 35 ° северной широты и достигающий широты 10 000 км примерно через три недели. К февралю 2011 г. у шторма образовался удлиненный, направленный на восток хвост, который охватил планету (расстояние 300 000 км) (см. Правую часть рисунка 2). В середине июня 2011 г. крайний западный центр шторма с большей частью активности SED столкнулся с большим антициклоническим вихрем, что привело к значительному падению активности SED.После столкновения SED стали прерывистыми и окончательно исчезли в конце августа 2011 года.

Cassini RPWS также искал молнии на загадочном спутнике Сатурна Титане, который имеет значительную атмосферу (1500 гПа на поверхности), состоящую в основном из азота и метана. Камеры «Кассини» зафиксировали конвективные метановые облака на Титане, но никаких радиовсплесков, которые четко указывали бы на существование молнии Титана, не было обнаружено RPWS во время многочисленных пролетов с близкого расстояния (Fischer & Gurnett, 2011).

Уран и Нептун

Ледяные гиганты Уран и Нептун имеют оболочку из водорода и гелия, но на глубоких уровнях они состоят из более тяжелых элементов, включая, скорее всего, кислород, углерод, азот и серу. Они имеют структуру облаков, аналогичную Юпитеру и Сатурну, с самым верхним слоем облаков метана. Таким образом, водяные облака также существуют на Уране и Нептуне и могут быть местом, где рождаются молнии. И Уран, и Нептун пока посещал только один космический корабль, Вояджер-2.

На Уране 140 событий, подобных SED, были обнаружены во время пролета «Вояджера-2» в январе 1986 года и названы UED для электростатических разрядов Урана (Zarka & Pedersen, 1986). Их частотный диапазон составлял от 0,9 до 40 МГц (верхний предел радиоинструмента «Вояджер») при средней продолжительности 120 мс, и они были примерно на порядок слабее, чем SED. На Уране не было обнаружено оптических сигналов молний или свистов. Во время пролета космического корабля «Вояджер-2» над Нептуном в августе 1989 года системой плазменных волн было обнаружено шестнадцать сигналов, похожих на вистлеры (Gurnett et al., 1990) в диапазоне 6–12 кГц, а четыре сферика на высоких частотах были предварительно идентифицированы Кайзером, Зарка, Дешом и Фарреллом (1991).

«Хорошая погода» Атмосферное электричество: Атмосферное электричество в регионах без штормов возникает из-за ионизации воздуха и, в некоторых случаях, из-за отдаленных штормов. Более детальное понимание атмосферных электрических процессов было естественным образом развито на Земле раньше, чем на других планетах. Кантон был первым, кто обнаружил присутствие электричества в воздухе в безоблачном небе в середине 18 века, и впоследствии было обнаружено, что воздух поддерживает электрическое поле и обладает слабой проводимостью в условиях, удаленных от гроз или ненастной погоды ( Аплин, Харрисон и Райкрофт, 2008 г.).В конечном итоге это привело к описанию атмосферного электричества «при хорошей погоде», которое используется, в отсутствие другой терминологии, для описания не грозовых электрических процессов во всех планетных атмосферах.

На Земле существует электрическое поле в хорошую погоду с магнитудой около 100 Vm ⁻¹ на поверхности (на уровне моря). Это электрическое поле происходит от концепции, которая стала известна как «глобальная электрическая цепь» или GEC (рис. 3), впервые предложенная CTR Wilson (Wilson, 1921, 1929).Грозы постоянно активны где-то на Земле и доставляют ток в ионосферу, относительно проводящую область, где солнечное УФ-излучение может ионизировать воздух. Поскольку атмосфера имеет только слабую проводимость по сравнению с ионосферой и поверхностью ( R _c на рисунке 3), между ионосферой и поверхность. Ионы, образованные космическими лучами и естественной радиоактивностью, перемещаются в этом электрическом поле, обеспечивая управляемую GEC плотность тока проводимости ( Дж, _c на рисунке 3), как правило, 2 пАм ^-2 .Атмосферное электрическое поле имеет характерные суточные колебания во всемирном времени, возникающие из-за гроз, генерируемых ближе к вечеру и ранним вечером по местному времени по всему земному шару, в основном над континентами в трех четко определенных регионах (Юго-Восточная Азия, Африка и Южный регион). . Америка), иногда называемые «дымоходами». Эта суточная вариация с максимумом в 19 UT стала известна как «кривая Карнеги» после того, как судно геомагнитной съемки впервые обнаружило ее (например, Harrison, 2013).Для разработки концепции GEC потребовались некоторые научные предшественники, определенные Аплином и др. Как «центральные принципы». (2008), например открытие ионосферы. Планетарные GEC могут существовать и обсуждаются в Глобальных электрических цепях в планетных атмосферах.

Рисунок 3. Концептуальная схема земной глобальной электрической цепи (GEC) (Аплин и др., 2008). Красные стрелки относятся к текущему потоку в GEC. Черные стрелки относятся к ионизирующему материалу.

Ионы атмосферы и ионизация

Как объяснялось в первом разделе, энергичные частицы, называемые «космическими лучами», проникают в каждую атмосферу.Мюоны или вторичные космические лучи – единственные частицы, обладающие достаточной энергией, чтобы ионизировать глубокие атмосферы, такие как Венера и планеты-гиганты. УФ-излучение также может вызывать дневную ионизацию тропосфер планет без УФ-поглотителей, таких как Марс (например, Aplin, 2006). В профилях ионизации атмосферы преобладают космические лучи, почти всегда с минимумом у поверхности и максимумом у уровня, на котором распадается большая часть космических лучей, обычно в верхней тропосфере или нижней стратосфере (известный как максимум Пфотцера-Регенера, e.г., Carlson & Watson, 2014). Может возникнуть локальная модуляция этого профиля, например, скорость ионизации над земной поверхностью уменьшается с высотой примерно до 1 км из-за вклада радиоактивных газов, испускаемых с поверхности. Есть также эффекты широтного и солнечного цикла на планетах с магнитными полями (например, Aplin, 2006).

Состав атмосферных ионов

Энергичные частицы ионизируют атмосферу, создавая положительные ионы и электроны; что произойдет дальше, зависит от химического состава атмосферы.Положительные ионы объединяются в группы с полярными частицами посредством сложной серии реакций, чтобы стать стабильными терминальными ионами, часто сгруппированными с частицами с локально самым высоким сродством к протонам (Harrison & Carslaw, 2003; Shuman, Hunton & Viggiano, 2015). Если присутствуют электрофильные («электронолюбивые») частицы, свободные электроны быстро присоединяются к ним, создавая отрицательный ион, такой как O ₂ ^– или CO ₂ ^–. Другие полярные частицы могут затем присоединиться к остову отрицательного иона, чтобы создать кластерный ион.Поэтому атмосферы обычно содержат конечные положительные ионы и некоторые или все электроны, отрицательные ионы или отрицательные кластерные ионы. Кластерные ионы обычно описываются как X ⁺ (Y) _n для положительного иона с остовным видом X и сгруппированы лигандами Y. На Земле n составляет 2–10, но для других планет модели менее ограничены. (Аплин, 2008). Лиганды могут быть такими видами, как H ₂ O, NH ₃ , HNO ₃ и органическими; есть некоторые свидетельства зависимости от влажности в кластеризации земных ионов (например,г., Харрисон и Аплин, 2007).

Поскольку данные ограничены, виды ионов в планетных атмосферах предсказываются путем моделирования, суммированного в Таблице 1. Атмосферы Земли и Венеры содержат электрофильные частицы и, следовательно, отрицательные кластерные ионы, тогда как на Нептуне и Уране ожидаются только свободные электроны, и Ожидается, что Марс и Титан будут содержать смесь электронов и отрицательных ионов. Зонд Гюйгенс 2005 года использовал химические и электрические инструменты для измерения атмосферных и поверхностных свойств и лучше ограничил состав положительных ионов Титана азотистыми частицами, такими как NH ₄ ⁺ (NH ₃ ) _n и HCNH ⁺ (HCN ) _n (e.г., Аплин, 2008, 2013).

Физические свойства и актуальность

Присутствие ионов и / или электронов делает атмосферу слабопроводящей, с положительной (или отрицательной) проводимостью σ , связанной с объемной числовой концентрацией положительных (или отрицательных) ионов и / или электронов n и их средняя подвижность μ проще всего выразить как σ = ne μ.

Подвижность определяется как скорость иона в единичном электрическом поле и связана с массой (например,г., Таммет, 2012). Типичная подвижность земного поверхностного атмосферного кластерного иона составляет 10 ⁻⁴ м ² V ⁻¹ с ⁻¹ , а его размер составляет 0,5 нм. Таким образом, атмосферы, содержащие свободные электроны, на много порядков более теплопроводны, чем атмосферы, содержащие более массивные кластерные ионы. По этой причине вклады положительной и отрицательной проводимости могут быть неодинаковыми, см. Таблицу 1.

Ионы важны в физике атмосферы из-за их взаимодействия с аэрозолем (мелкими взвешенными частицами).Ионы прикрепляются к частицам аэрозоля и заряжают их, уменьшая проводимость воздуха. Заряд аэрозолей может изменить рост облаков и время жизни капель за счет таких эффектов, как повышение эффективности столкновения. Это может косвенно влиять на радиационный баланс планеты. Например, модели предполагают, что заряженный аэрозоль важен для роста частиц на Титане (например, Lindgren et al., 2017), а сильно заряженные аэрозоли в облаках Венеры могут сделать атмосферу достаточно проводящей, чтобы подавить молнию, ограничивая накопление заряд, необходимый для молнии (Michael, Tripathi, Borucki, & Whitten, 2009).

Ионы могут также способствовать росту аэрозоля (зародышеобразованию), что может повлиять на образование облаков, погоду и климат. В перенасыщенной среде, такой как камера Вильсона, конденсация на заряженных частицах усиливается (иногда называемая зародышеобразованием Вильсона по названию одноименной камеры Вильсона). На Земле концентрации водяного пара на два порядка недостаточны для того, чтобы произошло зародышеобразование по Вильсону, а роль нуклеации, индуцированной ионами, в изменении климата все еще горячо обсуждается.Заряд может способствовать зарождению (например, Hirsikko et al., 2011), но влияние на облака и климат еще предстоит полностью количественно оценить (например, Snow-Kropla et al., 2011; Pierce & Adams, 2009). В планетных средах зародышеобразование метана по Вильсону, вероятно, происходит на Нептуне (Moses, Allen, & Yung, 1992; Aplin & Harrison, 2016), Уране (Aplin & Harrison, 2017) и было предложено для серной кислоты Венеры (Aplin , 2006). Ионно-индуцированное зародышеобразование Вильсона также является единственным известным объяснением существования азотных ледяных облаков на спутнике Нептуна Тритоне (Delitsky, Turco, & Jacobson, 1990).

Измерения

Единственные измерения электрических свойств атмосферы планеты на месте были произведены зондом Гюйгенс во время его спуска на поверхность Титана в январе 2005 года. Посадочный модуль содержал два типа приборов для измерения проводимости, релаксационный зонд и зонд взаимного сопротивления. Скорость перезарядки («релаксации») изолированного зонда, изначально установленного на фиксированный потенциал, связана с проводимостью воздуха. Зонд взаимного импеданса состоит из электродов, приводимых в действие переменным током, где взаимный импеданс (связанный с проводимостью) определяется отношением напряжения, измеренного на принимающем диполе, к току, подаваемому в среду соседним передающим диполем (Hamelin и другие., 2007). Релаксационный зонд может измерять более низкие удельные проводимости (и используется для наземных измерений (например, Aplin & Harrison, 2000), тогда как зонд взаимного импеданса чувствителен к более высоким проводимостям. Максимум регенерации был зарегистрирован обоими приборами, что свидетельствует о согласованности друг с другом и с теорией.Злополучный спускаемый аппарат Скиапарелли на Exomars также включал релаксационный зонд для измерения атмосферного электрического поля и проводимости (Harrison et al., 2016). Оппортунистические измерения атмосферных ионов, проведенные электронным спектрометром на космическом корабле Кассини, показали, что массивные заряженные кластеры в верхних слоях атмосферы Титана были предшественниками его густой оранжевой дымки (Waite et al., 2007). Измерение кластерных ионов может быть возможным благодаря их свойствам поглощения инфракрасного излучения, хотя необходима работа, чтобы охарактеризовать сигнатуры каждого вида (Aplin, 2008; Aplin & Lockwood, 2015). Атмосферные электрические измерения были также предложены во время миссий к Венере (Chassefière et al., 2009) и внешних планет (Mousis et al., 2017).

Глобальные электрические цепи в планетных атмосферах

Первое предположение о ГЭЦ в атмосфере другой планеты было сделано в докторской диссертации Филлингима 1998 года (более недоступной, но упоминается в Aplin, 2006) и в журнальной статье (Farrell & Desch, 2001), в которых Марс определен как подходящий кандидат в GEC. Венера и Титан также были предложены в качестве возможных хозяев Солнечной системы для земного ГЭЦ (Аплин, 2006, 2013).Планета должна соответствовать всем следующим условиям (Aplin et al., 2008), чтобы иметь GEC:

•

верхний проводящий слой

•

сбросов или осадков, чтобы «зарядить» контур

•

протекание тока в хорошую погоду для «разряда» цепи

Aplin et al. (2008) рассмотрели оптимальные измерения для идентификации GEC и пришли к выводу, что резонанс Шумана (определенный в разделе «Методы наблюдений») будет наиболее полезным параметром.Для резонанса Шумана требуются как верхний, так и нижний проводящие слои и электрические разряды, хотя обнаружение резонансов Шумана все же не доказывает существование ГЭП. Примером этого является обнаружение резонансов Шумана на Титане, которые не вызваны электрическими разрядами (в соответствии с необнаружением молнии Титана, описанной в разделе «Сатурн»). Вместо этого считается, что они возникают в результате возбуждения ионосферы Титана магнитосферой Сатурна (Beghin et al., 2007). Несмотря на это, Титан все еще мог иметь GEC, но вместо электрических разрядов капли метана могли заряжать цепь (см. Aplin, 2013 и ссылки в нем). Это похоже на Землю, где заряженный дождь может составлять около 10% зарядного тока GEC (Peterson et al., 2017). У Венеры также потенциально может быть GEC, как у Земли, но для этого потребуется молния, которая еще не определена однозначно (см. Раздел «Венера»).

Как было описано в первом разделе, GEC может связывать космическую среду с тропосферой планеты, привнося влияние космической погоды на планетную погоду с помощью механизмов, описанных выше.GEC непрерывно распределяет ионы по атмосфере, расширяя область их влияния на формирование частиц и химические процессы (см. Таблицу 1). Это может быть особенно важно на планетах, удаленных от Солнца, где электрические воздействия на погоду и климат относительно более значительны.

Поглощение атмосферного электричества | Управление научной миссии

Главная страница “Новости космической науки”

Измерения “хорошей погоды” важны для понимания грозы

Одна из серии статей, посвященных проводимой раз в четыре года Международной конференции по атмосферному электричеству, 7-11 июня 1999 г. в Гантерсвилле, штат Алабама.

15 июня 1999 г .: Хотя эксперты советуют вам оставаться в помещении, чтобы избежать удара молнии, немногие скажут вам, что вам вообще не избежать этого. Фактически, вы находитесь на обратном пути ко всем грозам, происходящим по всему миру. К счастью, напряжение небольшое, а ток почти нулевой, поэтому эффект практически невозможно измерить.

«Электричество в хорошую погоду имеет дело с электрическим полем и электрическим током в атмосфере, а также с проводимостью воздуха», – пояснил д-р.Лотар Рунке из Airborne Research Associates в Уэстоне, штат Массачусетс, недавно уволился из Военно-морской исследовательской лаборатории, но продолжает «проводить исследования для развлечения».

Открытие цепи при хорошей погоде последовало за демонстрацией Бена Франклина, что молния вызывается электричеством. (Будущие экспериментаторы прислушиваются: Старому Бену исключительно повезло. Другие, повторявшие его эксперимент, погибли, так что не пытайтесь его делать.) Позже экспериментаторы показали, что чистый спокойный воздух несет в себе электрический ток, который, как оказалось, является обратным. путь для электрического дисплея, известный как молния.

Выше : Схема показывает “цепь” при хорошей погоде, показывая нормальный потенциал между землей и атмосферой. кредит: NASA / MSFC (Dooling)

Подпишитесь на нашу рассылку НОВОСТЕЙ ЭКСПРЕСС-НАУКИ

Его важность отмечается в названии Международной конференции по атмосферному электричеству. Большая часть его была сосредоточена на молнии и ее эффектах. Однако утреннее заседание в четверг под сопредседательством Ruhnke было посвящено вопросам электричества в хорошую погоду.

Атмосферное электричество похоже на массивную фотографическую вспышку. Электрический заряд накапливается, переключатель замыкается, и электроны проникают через газ, ионизируя его и производя свет. Но вспышка – это замкнутая схема. В случае с Землей, объяснил Рунке, атмосфера замыкает кругооборот.

Последние заголовки 3 декабря: Марс Полярный спускаемый аппарат приближается к приземлению 2 декабря: Что дальше, Леониды? 30 ноября: Обзор миссии полярного посадочного модуля. 30 ноября: Обучение чистому охвату космоса.

Генерация грозового заряда происходит внутри облаков.Ток течет из верхних слоев облаков – голубые струи и красные спрайты могут играть роль – и соединяется с верхними слоями атмосферы и ионосферой. В конечном итоге ток возвращается на Землю через прозрачную атмосферу. Поскольку он распространен по большей части земного шара, он также довольно слаб в любой точке.

«Все три значения очень трудно измерить», – сказал Рунке. Сила тока 10 ^-12 ампер на квадратный метр – «почти ничего». Поле составляет около 100 вольт на метр, а это означает, что электрический потенциал увеличивается примерно на 200 вольт от земли до макушки Майкла Джордана, когда он стоит на месте.Наконец, воздух – отличный изолятор, поэтому его проводимость близка к нулю.

Ссылки

Human Voltage (18 июня 1999 г.) Ученые обсуждают биологию, безопасность и статистику ударов молний. Короткометражные новости с конференции по атмосферному электричеству (16 июня 1999 г.) Подведены итоги стендовых докладов об ураганах и торнадо. Поглощение атмосферного электричества (15 июня 1999 г.) Измерения “ясной погоды”, важные для понимания гроз. Положение молнии во время шторма может окружать сильнейшие восходящие потоки (11 июня 1999 г.) Новое открытие может помочь в предсказании града и торнадо Молния следует за Солнцем (10 июня 1999 г.) Команда космических снимков обнаружила неожиданные предпочтения. 1999) Грозы порождают неуловимые и загадочные духи. Получение четкого изображения молнии (9 июня 1999 г.): команда из Нью-Мексико разрабатывает систему для изображения молнии в трех измерениях. Обучение диагностике плохой погоды во время полета (8 июня 1999 г.): ученые обсуждают то, что они знают о воздействии молнии на космические корабли и самолеты. Три молнии из ниоткуда (8 июня 1999 г.): фундаментальные вопросы об атмосферном электричестве, поставленные на конференции на этой неделе. Лидеры молний сходятся в Алабаме (24 мая 1999 г.): превью 11-й Международной конференции по атмосферному электричеству. Что появляется во время грозы? (26 мая 1999 г.): Гамма-лучи (иногда). Исследование молний в NASA / Marshall и Глобальном центре гидрологии и климата.

«Из-за всего этого вы ничего не чувствуете», – сказал Рунке.Даже если вы стоите в электрическом поле, ваши волосы не встают дыбом. (Если бы вы были на улице, а это случилось, это означало бы, что вас вот-вот ударит молния, поэтому сразу же присядьте.)

«Когда вы измеряете электрическое поле в хорошую погоду, вы измеряете влияние всех гроз на Земле», – сказал он.

Но это ощущается не равномерно. Рунке сказал, что когда-то ученые считали, что эффект равномерно распространяется по всей планете, поэтому измерения в Токио были не хуже, чем в Канзасе.Оказывается, что местная турбулентность, ветры и другие колебания также вызывают небольшие изменения электрического поля в хорошую погоду.

«Это большая проблема – отсортировать местные вариации и источники от гроз», – продолжил Рунке. «Если бы вы могли разделить эти эффекты, вы могли бы отслеживать общую грозовую активность локально».

Такая мера важна для различных экологических исследований, включая производство оксидов азота (NO _x ), поэтому можно измерить относительные природные и промышленные вклады.

Другой – глобальное потепление. Рунке отметил, что Ральф Марксон, коллега из Airborne Research, изучил 45-летние данные о хорошей погоде, полученные с помощью воздушных шаров от поверхности Земли до стратосферы. Одним из факторов, влияющих на существование гроз в атмосфере, является температура.

«Если произойдет какое-либо глобальное потепление, вы должны увидеть увеличение количества гроз и электрического поля», – сказал Рунке. «Марксон не видит изменений в ионосферном потенциале». По словам Рунке, из-за различий в инструментах, роста городов и других эффектов прямые измерения глобального потепления довольно сложны.

«Люди ищут косвенные методы, – продолжил он. – Поле хорошей погоды – одно».

Слева : Гроза на закате возле Абилина, штат Техас, 17 мая 1978 года. Даже без молнии в воздухе есть электричество, хотя оно настолько слабое, что ученым трудно его измерить. (NOAA)

Поле хорошей погоды также становится датчиком загрязнения воздуха, поскольку аэрозоли – капли и частицы пыли – притягивают и эффективно нейтрализуют ионы.

Он зафиксировал разницу в воздухе Гренландии и Антарктиды, где 30 лет назад он был “почти идеальным”, о чем свидетельствует его ионное содержание. «Сейчас воздух во всем мире достаточно загрязнен».

В 1996 году первые в истории скоординированные одновременные измерения были выполнены в течение двух дней над Дарвином, Австралия, и Уэстоном, штат Массачусетс, – противоположными сторонами света – чтобы продемонстрировать, что одно надежное измерение может быть глобально репрезентативным.

Рунке отметил, что на хорошие погодные условия также влияет магнитосфера в полярных регионах, где магнитное поле Земли оставляет верхние слои атмосферы открытыми для космоса.Хотя многие люди пытались связать солнечную активность с земной погодой, он отметил, что убедительной связи не обнаружено.

Дополнительные веб-ссылки

---

45-я метеорологическая эскадрилья на авиабазе Патрик, справочная страница по молниям.
Национальная лаборатория сильных штормов, Норман, штат Оклахома.
Численное моделирование в NSSL.
Технологическая система трехмерного картирования молний Нью-Мексико. Проект
по обнаружению молний и определению дальности в Космическом центре Кеннеди.
Национальная лаборатория сильных штормов в фотобиблиотеке, где у нас есть много красивых фотографий из этих историй.

Другие заголовки в области космической науки – Исследования НАСА в Интернете

Предприятие НАСА по наукам о Земле Информация о миссиях по наукам о Земле и т. Д.

---

Присоединяйтесь к нашему растущему списку подписчиков – подпишитесь на нашу экспресс-доставку новостей , и вы будете получать сообщение по электронной почте каждый раз, когда мы публикуем новую историю !!!

---

Подробнее Заголовки

---

вернуться на главную страницу Новости космической науки

За дополнительной информацией обращайтесь: Dr.Джон М. Хорак, директор по научным коммуникациям

Автор: Дэйв Дулинг Куратор: Брайан Уоллс Представитель НАСА: Джон М. Хорак

Атмосферное электричество и биосфера

Атмосфера является хозяином сложной электрической среды, начиная от глобальной электрической цепи, генерирующей колеблющиеся атмосферные электрические поля, до локальных ударов молний и ионов. Многие экологические процессы могут взаимодействовать с атмосферным электричеством.Такие процессы включают, помимо прочего, землетрясения, атмосферные ионы, облака и климат, взаимодействия Солнца и Земли, загрязнение воздуха, молнии и т. Д. Современные исследовательские подходы остаются фрагментированными, что ограничивает наше понимание взаимодействий на системном уровне.

Чтобы преодолеть недостаток координации различных исследовательских усилий в этих областях, действие COST Action Атмосферная электрическая сеть: соединение с земной системой, климатическими и биологическими системами ( ELECTRONET ) было основной целью для улучшения знаний о множественные эффекты и взаимосвязи атмосферного электрического поля, в том числе на биологические системы, и его взаимосвязи с другими важными компонентами земной системы.С этой целью была запущена глобальная сеть мониторинга атмосферного электричества для климатических и геофизических исследований, а также «был запущен междисциплинарный системный подход с участием ученых, занимающихся атмосферой, землей и космосом, метеорологов, биологов и врачей с целью улучшения нашего понимания ряда проблем. электрические процессы, которые лежат на стыке наук о твердой Земле, окружающей среде, биологии, климате и солнечной / земной науке », – говорит профессор Костас Куртидис из Университета Демокрита во Фракии, возглавляющий ELECTRONET.

Результат действия включает исследования электрического заряда вдыхаемых окружающих наночастиц и его изменения в зависимости от погоды, молний в верхних слоях атмосферы и, среди прочего, исследования возмущений электрических свойств верхних слоев атмосферы перед землетрясением.

Во время существования Экшена появилось новое существенное свидетельство того, что вариации атмосферного электрического поля могут влиять на биологические процессы, в том числе на работу мозга. В результате работы проекта Международный журнал биометеорологии недавно опубликовал специальный выпуск «Атмосферное электричество и биометеорология» по этой теме.

Изучение сложных связей между атмосферным электричеством и биологическими системами, а также их взаимодействия требует мульти- и трансдисциплинарного подхода, который рассматривает концепции и методологии из разрозненных научных дисциплин. Таким образом, важно, чтобы знания могли быть разделены между разными дисциплинами. Соответственно, члены Action разработали в этом специальном выпуске глоссарий соответствующих терминов и концепций, которые облегчают интеграцию в общие исследования и предоставляют ресурс для тех, кто хочет понять атмосферное электричество и его связи с биологическими системами.Аналогичным образом, чтобы обеспечить дальнейший ретроспективный анализ имеющихся данных об атмосферном электричестве в контексте биологических систем, был разработан семантический подход, устанавливающий общую терминологию и среду для обмена данными.

В специальном выпуске представлен обзор широкого спектра атмосферных электрических явлений и их связи с биологией, в котором определены концептуальные и технические проблемы, а также возможности для будущих исследований. Кроме того, представлены возможные молекулярные и клеточные механизмы, лежащие в основе биоэффектов атмосферного электромагнитного поля, что показывает, что подходы к многомасштабному моделированию имеют решающее значение для понимания того, усиливаются ли и каким образом изменения электрического поля на молекулярном уровне в биологических масштабах до уровня организма.Другая статья сборника утверждает, что чрезвычайно низкие частоты могли обеспечить эволюционный электрический фон, на котором развивалась электрическая активность клеток. «Мы предполагаем, что на протяжении миллиардов лет в течение истории эволюции живых организмов на Земле естественные резонансные частоты электромагнитного излучения в атмосфере, непрерывно генерируемые глобальной молнией, обеспечивали фоновые электрические поля для развития электрической активности клеток», – говорит Колин. Прайс из Тель-Авивского университета, член Action и ведущий автор исследования.Изучаются связи между электромагнитными полями и нейродегенеративными заболеваниями, а роль электромагнитного излучения как потенциальной неинвазивной терапевтической стратегии для некоторых нейродегенеративных заболеваний обсуждается в другом месте сборника. В другом исследовании показано, что синоптические погодные условия, помимо температуры, влажности, давления и ветра, влияют также на электрическое состояние атмосферы, тем самым определяя дополнительный важный компонент в сложном взаимозависимом наборе физических и биологических связей.

Работа, представленная в вышеупомянутом специальном выпуске, «раскрывает тесную связь атмосферного электричества с биологией и благополучием человека и подчеркивает междисциплинарный и сложный характер этой области исследований, в которой многие захватывающие и многообещающие новые направления могут заложить основу для новое эмпирическое исследование и столь необходимые концептуальные и операционные рамки », – говорит член Action Эллард Хантинг из Бристольского университета.

Помимо упомянутого выше специального выпуска, результатом работы проекта стал специальный выпуск «Связь атмосферного электричества с земными, космическими и антропогенными процессами: возможности измерения, моделирования и прогнозирования» в журнале Science of the Total Environment.

Статья написана командой ELECTRONET

Веб-страница

Action на веб-сайте COST: https://www.cost.eu/actions/CA15211/#tabs|Name:overview

Веб-страница

Action: https://atmospheric-electricity-net.eu/

Резюме исследования> Космическое и атмосферное электричество> Департамент метеорологии

Атмосфера Земли частично ионизирована из-за воздействия галактических космических лучей (ГКЛ), а вблизи поверхности континента – естественной радиоактивности.Эта ионизация вызывает конечную электрическую проводимость атмосферного воздуха, которая позволяет небольшому вертикальному току (с плотностью Jz) течь между проводящими областями ионосферы и поверхностью Земли. Существует большая (≈ 250 кВ) разница напряжений между ионосферой и поверхностью Земли, связанная с переносом заряда от ≈ 1000 гроз и дождевых облаков, постоянно действующих по всему земному шару, в структуре, известной как Глобальная электрическая цепь (GEC). Более подробное описание GEC, а также развитие этой структуры см. В следующем документе.

Модуляция глобального атмосферного электричества зависит от нескольких факторов, включая изменчивость грозы, температуры Тихого океана и концентрации аэрозольных частиц, которые представляют собой «внутренние» источники изменчивости. Помимо внутренних источников изменчивости существуют также «внешние» источники, такие как изменения в условиях космической погоды. Такие изменения в космической погоде могут влиять на скорость ионизации атмосферы (посредством модуляции потока ГКЛ и генерации частиц солнечной энергии (SEP)), геомагнитное поле и значение разности потенциалов Земля-ионосфера, VI, все из которых могут влиять на электрическую энергию атмосферы. параметры.

Группа SPATE из Университета Рединга изучает влияние космической погоды на атмосферное электричество с помощью приземных наблюдений, проводимых на его метеорологической обсерватории (Атмосферная обсерватория Университета Рединга, RUAO), и наблюдений с аэростатов с использованием набора специально разработанных датчиков, установленных на обычных метеозонды (метеорологические радиозонды).

Исследования в Рединге также сосредоточены на том, как космическая погода может влиять на погодные процессы в тропосфере, например, путем изучения электризации краев облаков, не связанных с грозой, которая возникает в результате вертикального протекания тока в глобальной электрической цепи.

Верхняя атмосфера Земли (термосфера) и слабоионизированная плазма внутри нее (ионосфера) чувствительны к воздействиям сверху и снизу. Ионосфера создается, когда крайнее ультрафиолетовое и рентгеновское излучение Солнца поглощается термосферными газами, что приводит к их ионизации. Кроме того, прибытие на Землю переходных структур солнечного ветра ускоряет энергичные частицы в верхние слои атмосферы, усиливая ионизацию на полюсах и нагревая термосферу, которая затем расширяется.

В то же время влияния тропосферы внизу, такие как волны и ионизация, создаваемые грозами, увеличивают изменчивость ионосферы.

Наша работа сосредоточена на обнаружении механизмов, с помощью которых связаны верхняя и нижняя атмосферы, от модуляции ионосферы солнечным ветром до усиления ионосферы тропосферными молниями. Кроме того, мы исследуем долгосрочные изменения в ионосфере, чтобы сделать выводы об изменениях состава термосферы в ответ на геомагнитную активность.

Изучение атмосферного электричества и климата …

Измеритель электрического поля CS110 для воссоздания кривой Карнеги градиента электрического потенциала Земли в ясную погоду

INESC TEC вместе с ВМС Португалии в рамках проекта «Взаимодействие космической атмосферы и океана в морском пограничном слое (ПАРУС)» помогает оборудовать учебный корабль «Сагреш». Судно превращается в настоящую научную лабораторию, которая позволит провести пионерские исследования в области атмосферного электричества и изменения климата.

Campbell Scientific поставила датчики измерителя электрического поля, чтобы INESC TEC мог измерять вертикальную составляющую атмосферного электрического поля у поверхности земли. Геофизические данные, собранные во время запланированного кругосветного путешествия продолжительностью в год, позволят ученым изучить влияние изменения климата и увеличения загрязнения атмосферы на глобальную электрическую цепь планеты. Данные также могут использоваться в долгосрочных погодных моделях для лучшего прогнозирования будущих климатических тенденций.

Кривая Карнеги

Кривая Карнеги широко относится к суточному циклу атмосферного электрического поля Земли в хорошую погоду. В чистом воздухе он показывает среднесуточные колебания, соответствующие всемирному времени, независимо от положения измерения.

Кривая Карнеги важна, потому что она обеспечивает эталонную вариацию, относительно которой измерения атмосферного электричества все еще сравниваются с сегодняшними. Считается, что это происходит из-за суточных колебаний электрификации атмосферы, связанных с различными глобальными регионами с нарушенной погодой.

Миссия

Одна из научных целей путешествия – воссоздать знаменитую кривую Карнеги атмосферного электрического поля вокруг земного шара. Исходные данные были собраны 100 лет назад, поэтому ученых интересует, повлияли ли недавние изменения климата на суточный цикл электрической цепи Земли.

Выбор прибора для этой миссии был обусловлен высокой точностью, чувствительностью, устойчивостью к полю и надежностью измерителя электрического поля, созданного Campbell Scientific.

Система

CS110, измеритель электрического поля Campbell Scientific, представляет собой высокоточный исследовательский датчик с малым смещением, который измеряет вертикальную составляющую местного атмосферного электрического поля. Он имеет низкое энергопотребление и предназначен для критических задач предупреждения о грозах и исследовательских приложений. Датчик имеет возвратно-поступательную конструкцию с заслонкой и надежным заземлением. Чувствительный электрод усилителя заряда имеет цепь компенсации утечки, устойчивую к загрязнениям и солевому туману.

CS110 интегрирован с регистратором данных измерения и управления CR1000, который обеспечивает функции измерения, управления, обработки данных и окончательного хранения, а также гибкий язык пользовательского интерфейса (CRBasic) и различные варианты цифровой связи.

Ожидаемые результаты

Геофизические данные, собранные в морской среде, позволят ученым изучить влияние изменения климата и увеличения загрязнения атмосферы на глобальную электрическую цепь планеты.Данные также могут использоваться в долгосрочных погодных моделях для лучшего прогнозирования будущих климатических тенденций.

Проект также направлен на оценку состояния океана, который оказывает значительное глобальное влияние на такие секторы, как рыболовство, морская деятельность или даже энергетика, путем сбора биологических образцов (рыб) для дальнейшего лабораторного анализа.

После завершения поездки будет проведено последующее тематическое исследование, которое продемонстрирует фактические собранные данные и характеристики CS110.

---

Список литературы

«INESC TEC оснащает школьный корабль Sagres для изучения атмосферного электричества и изменения климата», BIP Inesc Tec Magazine [онлайн] Португалия (2019). http://bip.inesctec.pt/en/noticias/inesc-tec-equips-school-ship-sagres-to-study-atmospheric-electricity-and-climate-change/

Харрисон, Р. Кривая Карнеги. Surv Geophys 34, 209–232 (2013). https://doi.