Что такое атмосферное электричество: Атмосферное электричество – Энергетика и промышленность России – № 09 (317) май 2017 года – WWW.EPRUSSIA.RU

Атмосферное электричество – Энергетика и промышленность России – № 09 (317) май 2017 года – WWW.EPRUSSIA.RU



Атмосферное электричество – Энергетика и промышленность России – № 09 (317) май 2017 года – WWW.EPRUSSIA.RU – информационный портал энергетика

http://www.eprussia.ru/epr/317/5390484.htm

Газета “Энергетика и промышленность России” | № 09 (317) май 2017 года

О том, что электричество можно добывать из атмосферы, люди задумывались давно. Молнии, «огни святого Эльма», наглядно демонстрировали, что электричество в воздухе есть. Вопрос, как его добыть и можно ли его использовать в практических целях?

Одним из первых проводил опыты с воздушным электричеством Бенджамин Франклин – ученый и политический деятель, знакомый нам по портрету на стодолларовой купюре. Он изучал природу молний, запуская воздушного змея в грозу. Кстати, именно он изобрел громоотвод, конструкция которого практически не изменилась до наших дней, и ряд электростатических моторов.

Одновременно подобные опыты проводились и в других странах. Так, например, в России был убит молнией сподвижник Ломоносова Георг Рихман, когда в воздух поднимали провода, чтобы продемонстрировать, что электричество накапливается в облаках.

Земля – конденсатор

Сейчас природа атмосферного электричества достаточно хорошо изучена. Однако попытки использовать ее на благо человечества не прекращаются. Что вполне понятно: задачи получения «бесплатной» энергии волновали людей всегда.

Земля – хороший проводник электричества. Как и верхний слой атмосферы – ионосфера. Нижний же слой атмосферы обычно не проводит электричество, является электрическим изолятором. По сути – диэлектриком. Таким образом, планета и слои атмосферы являются огромным конденсатором, способным накапливать электроэнергию, подобно электрическому полю. Гигантский конденсатор постоянно заряжается в одних регионах и разряжается в других, создавая глобальный электрический контур. Таким образом, вероятно, вполне возможно создать атмосферную электростанцию, чтобы получать электричество из воздуха.

В нижних слоях атмосферы Земли идут интенсивные процессы испарения, переноса тепла и влаги, образования облаков, сопровождающиеся явлениями электризации. Молнии и осадки также переносят к земле отрицательный заряд. В результате, у поверхности Земли напряженность электростатического поля достигает 100‑150 В / м летом и до 300 В / м зимой. Перед грозой регистрируют напряженность поля до десятков киловольт на метр и выше! Мы почти не чувствуем этого поля просто потому, что воздух – хороший изолятор.

Таким образом, в вероятности, вполне возможно создать атмосферную электростанцию, чтобы получать электричество из воздуха.

Станция из воздушных шаров

Как могла бы выглядеть атмосферная электростанция? Один из возможных способов ее создания состоит в запуске в атмосферу группы высотных воздушных шаров, способных притягивать электричество. Эти шары соединяются электропроводами, которые также закрепляют их на земле в резервуарах, содержащих раствор воды и электролита. Если такой шар поднимется до нижних ионизированных слоев атмосферы, постоянный электрический ток потечет по проводу через растворенный электролит, что приведет к разложению воды на водород и кислород. Далее эти газы можно будет собрать так же, как в любом другом электролитическом устройстве. Водород можно использовать в качестве горючего для топливных элементов или для автомобилей на водородном топливе.

Эксперименты с аэростатами, изготовленными из тонких листов магниево-алюминиевого сплава, покрытого очень острыми, электролитическим способом изготовленными иглами, провел в Финляндии доктор Герман Плаусон. Иглы содержали также примесь радия, чтобы увеличить местную ионизацию воздуха. Поверхность аэростата также красили цинковой амальгамой, которая в солнечную погоду давала дополнительный ток вследствие фотоэффекта.

Плаусон получил мощность 0,72 кВт от одного аэростата и 3,4 кВт от двух, поднятых на высоту 300 м. На свои устройства он в 1920‑х гг. получил патенты США, Великобритании и Германии. Его книга «Получение и применение атмосферного электричества» содержит детальное описание всей технологии.

Доводы скептиков

Но действительно ли запасы электричества Земли велики?

По мнению скептиков, множество проектов по использованию электрического поля планеты опираются на совершенно мифические механизмы отбора энергии от глобального конденсатора.

Для начала стоит заметить, что возникают противоречия в подсчете емкости конденсатора, образованного поверхностью Земли и ионосферой (расхождение результатов – более чем в 1000 раз!).

Земной конденсатор заряжен до напряжения приблизительно 300 кВ, причем поверхность Земли имеет отрицательный заряд, а ионосфера – положительный. Напряженность поля между «обкладками» такого конденсатора составляет 120‑150 В / м у поверхности и резко падает с высотой.

Как у всякого конденсатора, в нем имеются токи утечки. Эти токи очень малы. Но пересчет на всю поверхность Земли дает суммарный ток утечки около 1800 А. А электрический заряд Земли оценивается в 5,7×105 степени кулон. То есть земной конденсатор должен разрядиться всего за 8‑10 мин.

На практике мы подобной картины не наблюдаем. Значит, существует некий природный генератор, мощностью более 700 МВт, компенсирующий потерю заряда системы Земля – ионосфера.

Современная наука оказалась бессильной объяснить механизмы подзарядки конденсатора. На сегодня существует более десяти гипотез, описывающих механизмы и процессы поддержания постоянного заряда Земли. Но экспериментальная проверка и уточненные расчеты показывают недостаточность количества вырабатываемых зарядов для поддержания стабильного значения поля Земли.

В числе кандидатов на генераторы зарядов рассматривались грозы, циркуляция токов в расплавленной мантии Земли, поток частиц от Солнца (солнечный ветер). Выдвигалась даже экзотическая гипотеза о существовании природного МГД генератора, работающего в верхних слоях атмосферы. Но сегодня наука точно не знает, откуда восполняются заряды природного конденсатора. Возможно, каждый из перечисленных механизмов дает свой вклад в пополнение заряда земного накопителя.

Попытки использовать напряженность поля Земли в утилитарных целях предпринимались более двух веков. Лучшее достижение – уже упомянутые конструкции с использованием аэростатов – позволили получить мощность около 1 кВт, а современные, реально работающие схемы позволяют лишь запитать маломощный светодиод или подзарядить мобильный телефон.

Дело в том, что проводимость атмосферного воздуха составляет только 10–14 степени Сименс / метров. Отобрать от столь высокоомного источника заметную мощность просто невозможно. Для этого детали «генератора» должны иметь более надежную изоляцию – иначе он быстро «закорачивается».

Воздушная электроэнергия

Однако доводы скептиков не останавливают экспериментаторов.

По их мнению, высокая разность потенциалов между поверхностью Земли и ионосферой приводит к формированию мощного электрического поля в тропосфере и стратосфере. Заряд в этом суперконденсаторе поддерживается за счет солнечного излучения, космических лучей, а также радиоактивности земной коры. Все эти излучения взаимодействуют с магнитным полем Земли и атомами в верхних слоях атмосферы, пополняя заряд суперконденсатора.

Постоянный заряд атмосферного суперконденсатора составляет от 250  000 до 500  000 В, что сопоставимо с напряжением высоковольтных электрических линий. Однако разница электрических потенциалов поверхности Земли и атмосферы – это постоянный ток, а не переменный. Общее среднее значение силы тока, протекающего через атмосферный суперконденсатор, только в результате гроз составляет 1500 А (по два ампера на каждую из 750 гроз). Электрическая мощность в ваттах составляет произведение силы тока в амперах на напряжение в вольтах. Приведенные выше цифры означают, что земная атмосфера постоянно рассеивает несколько сотен миллионов ватт электроэнергии. Этой мощности хватает на полное пиковое обеспечение электроэнергией среднего города.

Преимущества и недостатки атмосферных электростанций

В качестве преимуществ отмечаются следующие факторы:

• 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;
• атмосферная электростанция способна вырабатывать энергию постоянно, если поддерживать шары в воздухе.

Недостатки:

• 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, ограничено. В лучшем случае атмосферная энергетика может служить лишь незначительным дополнением к другим источникам энергии.

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. Попытка соорудить ее в жилом месте может привести к значительным разрушениям (например, во время торнадо).

Также читайте в номере № 09 (317) май 2017 года:

• Понять специфику, узнать людей, увидеть различия
  В компании «Энел Россия» с 2009 г. работает корпоративная программа «Мобильность», нацеленная на профессиональное развитие специалистов, обмен знаниями и опытом, межкультурное взаимодействие, а также распространение ценностей компании и п…

• Навыки оптимизации в условиях многозадачности нашли свое применение на родине

  Все позиции в группе «Энел», предлагаемые для международной программы «Мобильность», публикуются на специальном внутреннем ресурсе компании (интранет), к которому имеют доступ сотрудники во всех странах. …

• Выставка «Электро-2017» звучала на 80 децибел

  ЧТО: XXVI Международная выставка электрооборудования для энергетики и электротехники, автоматизации и промышленной светотехники «Электро». ГДЕ: Москва, ЦВК «Экспоцентр». СОСТОЯЛОСЬ: 17‑20 апреля 2017 г. …

• Атмосферное электричество

  О том, что электричество можно добывать из атмосферы, люди задумывались давно. Молнии, «огни святого Эльма», наглядно демонстрировали, что электричество в воздухе есть. Вопрос, как его добыть и можно ли его использовать в практических целях?…

• Компьютерные игры – «пожиратели» электроэнергии?

  Традиционно в качестве энергоемких бытовых потребителей принято рассматривать такие крупные устройства, как холодильник, морозильная камера, электроплита или стиральная машина. Потребление компьютеров принято считать относительно не…



Смотрите и читайте нас в

Каталог «Энергетика РУ»

Компании

Новости

Статьи

Продукция

Полная версия сайта

Контакты

• — Выберите область поиска —
• — Выберите область поиска —
• Искать в новостях
• Икать в газете
• Искать в каталоге

‘

АТМОСФЕРНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО • Большая российская энциклопедия

Авторы: В.  М. Березин

АТМОСФЕ́РНОЕ ЭЛЕКТРИ́ЧЕСТВО, 1)со­во­куп­ность элек­трич. яв­ле­ний и про­цессов в ат­мо­сфе­ре; 2) раз­дел фи­зики ат­мо­сфе­ры, изу­чаю­щий элек­трич. яв­ле­ния в ат­мо­сфе­ре и её элек­трич. свой­ст­ва; в А. э. ис­сле­ду­ют­ся элек­трич. по­ле в ат­мо­сфе­ре, её про­во­ди­мость, элек­трич. то­ки и объ­ём­ные за­ря­ды в ней, за­ря­ды об­ла­ков и осад­ков, гро­зо­вые раз­ря­ды и др. А. э. влия­ет на ор­га­нич. жизнь на Зем­ле и её эко­ло­гию.

Нау­ка об А. э. за­ро­ди­лась в 18 в. Нача­ло бы­ло по­ло­же­но амер. учё­ным Б. Франк­ли­ном, экс­пе­ри­мен­таль­но до­ка­зав­шим элек­трич. при­ро­ду мол­нии, и М. В. Ло­мо­но­со­вым, объ­яс­нив­шим элек­три­за­цию гро­зо­вых об­ла­ков.

А. э. тес­но свя­за­но с ме­тео­ро­ло­гич. фак­то­ра­ми – об­ла­ка­ми, осад­ка­ми, ме­теля­ми, пыль­ны­ми бу­ря­ми и др. К об­лас­ти А. э. от­но­сят про­цес­сы, про­ис­хо­дя­щие в тро­по­сфе­ре и стра­то­сфе­ре, и их за­ви­си­мость от ло­каль­ных и гло­баль­ных фак­то­ров. Тер­ри­то­рии, где от­сут­ст­ву­ют ско­п­ле­ния аэ­ро­зо­лей и др. ис­точ­ни­ки силь­ной ио­ни­за­ции, рас­смат­ри­ва­ют­ся как зо­ны «хо­ро­шей» по­го­ды с пре­об­ла­да­ни­ем гло­баль­ных фак­то­ров. В зо­нах «на­ру­шен­ной» по­го­ды пре­об­лада­ют ло­каль­ные ме­тео­ро­ло­гич. фак­то­ры.

Электрическое поле атмосферы

В тро­по­сфе­ре все об­ла­ка и осад­ки, ту­ма­ны, пыль обыч­но элек­три­че­ски за­ря­же­ны. В чис­той ат­мо­сфе­ре по­сто­ян­но су­ще­ст­ву­ет элек­трич. по­ле, на­пря­жён­ность ко­то­ро­го $\boldsymbol E$ на­прав­ле­на свер­ху вниз. Это на­прав­ле­ние $\boldsymbol E$ при­ня­то счи­тать нор­маль­ным, а вер­ти­каль­ный гра­ди­ент элек­трич. по­тен­циа­ла – по­ло­жи­тель­ным. У зем­ной по­верх­но­сти су­ще­ст­ву­ет ста­цио­нар­ное элек­трич. по­ле с $ E$, в сред­нем рав­ной ок. 130 В/м. Зем­ля име­ет от­ри­цат. за­ряд, рав­ный ок. 3·10⁵ Кл, а ат­мо­сфе­ра в це­лом за­ря­же­на по­ло­жи­тель­но. При гро­зах, осад­ках, пыль­ных бу­рях, ме­те­лях и др. на­пря­жён­ность $\boldsymbol E$ мо­жет рез­ко ме­нять на­прав­ле­ние и зна­че­ние, дос­ти­гая ино­гда 1000 В/м. Наи­боль­шую величи­ну $ E$ име­ет в сред­них ши­ро­тах, а к по­лю­су и эк­ва­то­ру убы­ва­ет. Над ма­те­ри­ка­ми $ E$ не­сколь­ко вы­ше ср. зна­че­ния, а над океа­на­ми не­сколь­ко ни­же. С вы­со­той $ E$ в це­лом умень­ша­ет­ся. В слое пе­ре­ме­ши­ва­ния (300–3000 м), где ска­п­ли­ва­ют­ся аэ­ро­зо­ли, $E$ мо­жет воз­рас­тать с вы­со­той, вы­ше это­го слоя убы­ва­ет по экс­по­нен­ци­аль­но­му за­ко­ну.

На вы­со­те 10 км $E$ не пре­вы­ша­ет не­сколь­ких В/м. Это убы­ва­ние $E$ свя­за­но с на­ли­чи­ем в ат­мо­сфе­ре по­ло­жит. объ­ём­ных за­ря­дов, плот­ность ко­то­рых умень­ша­ет­ся с вы­со­той. Из­ме­не­ние ве­ли­чи­ны объ­ём­но­го за­ря­да ат­мо­сфе­ры по вы­со­те зна­чи­тель­но влия­ет на су­ще­ст­во­ва­ние гло­баль­ных ва­риа­ций $E$. Раз­ность по­тен­циа­лов ме­ж­ду Зем­лёй и ио­но­сфе­рой со­став­ля­ет 200–250 кВ.

Суточный ход унитарной вариации напряжённости Е электрического поля атмосферы (Еср – среднее значение напряжённости): 1 – над океанами; 2 – в полярных областях. 3 – Изменение площади S, занятой грозам…

На­пря­жён­ность элек­трич. по­ля $E$ ме­ня­ет­ся во вре­ме­ни и име­ет су­точ­ный и го­до­вой ход. От­ме­ча­ют­ся син­хрон­ные для всех пунк­тов су­точ­ные (рис., кри­вые 1 и 2) и го­до­вые ва­риа­ции $E$ – т. н. уни­тар­ные ва­риа­ции. Их су­точ­ный ход над по­ляр­ны­ми об­лас­тя­ми и океа­на­ми име­ет вид про­стой вол­ны, над кон­ти­нен­та­ми – вид слож­ной вол­ны с дву­мя мак­си­му­ма­ми. Гра­ди­ент элек­трич. по­ля ат­мо­сфе­ры для уме­рен­ных ши­рот Сев. по­лу­ша­рия наи­боль­ший зи­мой и наи­мень­ший в на­ча­ле ле­та. Уни­тар­ные ва­риа­ции свя­за­ны с из­ме­не­ни­ем элек­трич. за­ря­да Зем­ли в це­лом, ло­каль­ные – с из­ме­не­ния­ми ве­ли­чи­ны и рас­пре­де­ле­ния по вы­со­те объ­ём­ных элек­трич. за­ря­дов в ат­мо­сфе­ре в дан­ном ре­гио­не. Ве­ли­чи­на гра­ди­ен­та элек­трич. по­ля ат­мо­сфе­ры за­ви­сит от ко­ле­ба­ний ме­ж­ду мак­си­му­мом и ми­ни­му­мом сол­неч­ной ак­тив­но­сти.

Электрическая проводимость атмосферы

Элек­трич. со­стоя­ние ат­мо­сфе­ры в зна­чительной сте­пе­ни оп­ре­де­ля­ется её элек­трич. про­во­ди­мо­стью $λ$, ко­то­рая соз­да­ёт­ся ио­на­ми, на­хо­дя­щи­ми­ся в ат­мо­сфе­ре. Кон­цен­тра­ция и под­виж­ность ио­нов в ат­мо­сфе­ре оп­ре­де­ля­ет зна­че­ние $λ$. Основной вклад в $λ$ вно­сят лёг­кие ио­ны, под­виж­ность ко­то­рых $u>$ 10^–5м²/(с·В). У по­верх­но­сти Зем­ли в среднем $λ=$ (1–2)·10^–18 (Ом·м)^–1 и уве­ли­чи­ва­ет­ся с вы­со­той при­мер­но по экс­по­нен­ци­аль­но­му за­ко­ну. На вы­со­те ок. 30 км $λ$ поч­ти в 150 раз боль­ше, чем у зем­ной по­верх­но­сти.

Ос­нов­ные ио­ни­за­то­ры ат­мо­сфе­ры: 1) кос­мич. лу­чи, дей­ст­вую­щие во всей тол­ще ат­мо­сфе­ры; 2) из­лу­че­ние ра­дио­ак­тив­ных ве­ществ, на­хо­дя­щих­ся в зем­ле и воз­ду­хе; 3) ульт­ра­фио­ле­то­вое, кор­пус­ку­ляр­ное и рент­ге­нов­ское из­лу­че­ния Солн­ца, ио­ни­зи­рую­щее дей­ст­вие ко­то­рых за­мет­но про­яв­ля­ет­ся на вы­со­тах бо­лее 60 км. Кон­цен­тра­ция лёг­ких ио­нов рас­тёт с вы­со­той вслед­ст­вие уве­ли­че­ния ин­тен­сив­но­сти ио­ни­за­ции, что в со­че­тании с на­рас­та­ни­ем под­виж­но­сти ио­нов при умень­ше­нии плот­но­сти воз­ду­ха объ­яс­ня­ет ха­рак­тер из­ме­не­ния $λ$ и $E$ с вы­со­той.

Электрический ток и объёмный заряд в атмосфере

В ус­ло­ви­ях «хо­ро­шей» по­го­ды в ат­мо­сфе­ре те­чёт вер­тикаль­ный элек­трич. ток, пред­став­ляю­щий со­бой сум­му то­ков про­во­ди­мо­сти, диф­фу­зии и кон­век­ции. На Зем­лю не­пре­рыв­но сте­ка­ет элек­трич. ток си­лой ок. 1800 А. По­сколь­ку за­ряд Зем­ли в сред­нем не ме­ня­ет­ся, су­ще­ст­ву­ют, оче­вид­но, «ге­не­ра­то­ры» А. э., за­ря­жаю­щие Зем­лю. Та­ки­ми «ге­не­ра­то­ра­ми» яв­ля­ют­ся пыль­ные бу­ри, из­вер­же­ния вул­ка­нов, ме­те­ли, раз­брыз­ги­ва­ние ка­пель во­ды при­боем и во­до­па­да­ми, пар и дым пром. источ­ни­ков. Элек­три­за­ция, про­яв­ляю­щая­ся при пе­ре­чис­лен­ных яв­ле­ни­ях, мо­жет при­вес­ти к об­ра­зо­ва­нию мол­ний. Наи­боль­ший вклад в элек­три­за­цию ат­мо­сфе­ры вно­сят об­ла­ка и осад­ки. Элек­три­за­ция об­ла­ка уве­ли­чи­ва­ет­ся с ук­руп­не­ни­ем его час­тиц, уве­ли­че­ни­ем тол­щи­ны, уси­ле­ни­ем осад­ков. В слои­стых и слои­сто-ку­че­вых об­ла­ках плот­ность объ­ём­ных за­ря­дов в 10 раз пре­вы­ша­ет их плот­ность в чис­той ат­мо­сфе­ре. Об­ла­ка за­ря­же­ны по­ло­жи­тель­но в верх­ней час­ти и от­ри­ца­тель­но в ниж­ней, но мо­гут иметь и про­ти­во­по­лож­ную по­ляр­ность или иметь за­ряд пре­иму­ще­ст­вен­но од­но­го зна­ка.

На плот­ность объ­ём­ных за­ря­дов влия­ет тур­бу­лент­ность ат­мо­сфе­ры. Плот­ность то­ков осад­ков, вы­па­даю­щих на Зем­лю из слои­сто-ку­че­вых об­ла­ков, по­ряд­ка 10^–12 А/м², из гро­зо­вых об­ла­ков – по­ряд­ка 10^–8 А/м². Пол­ная си­ла то­ка, те­ку­ще­го на Зем­лю от гро­зо­во­го об­ла­ка в сред­них ши­ро­тах, ок. 0,01–0,1 А, бли­же к эк­ва­то­ру – до 0,5–1,0 А. Си­ла ­токов, те­ку­щих в са­мих этих об­ла­ках, в 10–100 раз боль­ше то­ков, при­те­каю­щих к Зем­ле, т. е. гро­за в элек­трич. отно­ше­нии по­доб­на ко­рот­ко­замк­ну­то­му ге­не­ра­то­ру. На зем­ном ша­ре од­но­вре­мен­но про­ис­хо­дят ок. 1800 гроз (рис., кри­вая 3). Об­ла­ка слои­стых форм, по­кры­ваю­щие ок. по­ло­ви­ны зем­ной по­верх­но­сти, так­же вно­сят су­ще­ст­вен­ный вклад в элек­трич. по­ле Зем­ли.

Ис­сле­до­ва­ния А. э. по­зво­ля­ют вы­яс­нить при­ро­ду про­цес­сов элек­три­за­ции гро­зо­вых об­ла­ков и его роль в об­ра­зо­ва­нии об­ла­ков и осад­ков. В чис­ле при­клад­ных за­дач – сни­же­ние элек­три­за­ции са­мо­лё­тов с це­лью по­вы­ше­ния безо­пас­но­сти по­лё­тов, учёт А. э. при за­пус­ке ра­кет, оцен­ка его влия­ния на здо­ро­вье че­ло­ве­ка. Не­ко­то­рые ха­рак­те­ри­сти­ки А. э. мо­гут слу­жить ин­ди­ка­то­ра­ми ан­тро­по­ген­но­го воз­дей­ст­вия на ат­мо­сфе­ру.

Атмосферное электричество | Тема исследования Frontiers

Подача закрыта.

Атмосферное электричество связано с широким кругом дисциплин, включая глобальную атмосферную электрическую цепь (ГЭЦ), энергетическое излучение, микрофизику аэрозолей и облаков, электрификацию гроз, процессы высоких энергий, физику молнии, а также эволюцию климата Земли и озонового слоя. . …

Атмосферное электричество связано с широким кругом дисциплин, включая глобальную атмосферную электрическую цепь (ГЭЦ), энергетическое излучение, микрофизику аэрозолей и облаков, электрификацию гроз, процессы высоких энергий, физику молнии, а также эволюцию климата Земли и озонового слоя. . Исследования во многих областях атмосферного электричества быстро продвигаются за счет использования наземных, спутниковых, воздушных измерений, а также химико-климатического моделирования и лабораторных исследований в различных масштабах.

Эта тема исследования охватывает все области, связанные с глобальной атмосферной электрической цепью (ГЭЦ), ионосферным потенциалом, резонансами Шумана, электрическими токами, переходными световыми явлениями (ТЛЭ), физикой гроз и молний, ​​энергетическим излучением, солнечным и космическим воздействием на ионосферу Земли. и атмосфера. Атмосферное электричество оказывает существенное влияние на биологические и биохимические процессы, представляющие особый интерес для наук о Земле и окружающей среде.

Целью текущей темы исследования является выделение перспективных, недавних и новых областей исследований в области атмосферного электричества. Этот сборник предлагает новые исследования электрического поля атмосферы и его связи с радиоактивностью окружающей среды, атмосферными аэрозолями/облаками и климатом, биологическими процессами, а также различными природными или техногенными опасностями, такими как грозы, землетрясения, эпизоды загрязнения, вулканический пепел. , огненные и пылевые шлейфы, ядерные аварии и солнечные удары. Цель состоит в том, чтобы улучшить знания о множественных эффектах и ​​взаимосвязях атмосферного электрического поля с другими важными компонентами системы Земля.

Разработка новых методов, алгоритмов и новой аппаратуры является важным направлением исследований атмосферного электричества, а также численного моделирования и разработки новых параметризаций электрических процессов, частоты грозовых разрядов, ионосферного потенциала. Недавние достижения связаны с текущими и планируемыми космическими миссиями, такими как монитор взаимодействия атмосферы и космоса (ASIM) и датчик молний (LIS) на Международной космической станции (МКС), микроспутник TARANIS КНЕС, который будет запущен весной. 2020 г., а также подготовка запланированного датчика изображения молний на геостационарном спутнике MTG. Точно так же новые наземные наблюдения, анализ данных, моделирование и моделирование в контексте проекта Европейской комиссии «Наука и инновации с грозами» (SAINT) могут предложить последние достижения в области атмосферного электричества.

Мы приветствуем публикации различных типов статей, таких как оригинальные исследования, обзоры, перспективы, отчеты о данных, методы гипотез и теорий, мини-обзоры, краткие отчеты об исследованиях, тематические исследования сообщества, а также технологии и коды.

Области, охватываемые данной Темой исследования, могут включать, но не ограничиваются:

• Атмосферное электричество;
• Общая электрическая цепь;
• Физика молнии;
• Кратковременные световые явления;
• Резонансы Шумана;
• Энергетическое излучение;
• Микрофизика аэрозолей и облаков;
• Грозовая электрификация;
• Осаждение частиц и космические лучи;
• Ионизирующие излучения и скорости ионизации атмосферы;
• Система магнитосфера-ионосфера-атмосфера;
• Химико-климатическое моделирование;
• Биологические и биохимические процессы;
• Лабораторные исследования;
• Бортовые и спутниковые наблюдения;
• Наземные и аэростатные измерения;
• Анализ данных и новые методы, технологии и коды.

Эта тема исследования была реализована в сотрудничестве с доктором Светланой Дементьевой в Институте прикладной физики Российской академии наук.

Ключевые слова : атмосферное электричество, глобальная электрическая цепь, магнитосфера-ионосфера-атмосфера, резонанс Шумана, микрофизика аэрозолей и облаков

Важное примечание : Все вклады в эту тему исследования должны быть в рамках раздела и журнала, в который они представлены, как это определено в их заявлениях о миссии. Frontiers оставляет за собой право направить рукопись, выходящую за рамки рассмотрения, в более подходящий раздел или журнал на любом этапе рецензирования.

• Показать больше

Границы | От редакции: Атмосферное электричество

Атмосферное электричество связано с широким кругом дисциплин, включая глобальную атмосферную электрическую цепь (ГЭЦ), энергетическое излучение и электрификацию атмосферы, микрофизику аэрозолей и облаков, грозы, физику молнии, высокоэнергетические процессы, а также отношения к солнечно-земным явлениям и эволюции климата Земли и химии атмосферы. Исследования во многих областях атмосферного электричества быстро развиваются благодаря наземным, спутниковым и бортовым измерениям, лабораторным исследованиям в различных масштабах и химико-климатическому моделированию.

Солнечно-земные влияния исследуются в нескольких статьях. Чум и др. исследовал влияние солнечного ветра на вторичные космические лучи и атмосферное электричество. Связь между гелиосферным магнитным полем, атмосферным электрическим полем, грозовой активностью и вторичными космическими лучами исследуется с акцентом на вариации, связанные с вращением Солнца. Установлено, что колебания грозовой активности находятся в фазе и в противофазе с B _x и B _y компоненты гелиосферного/межпланетного магнитного поля, соответственно, в соответствии с предыдущими исследованиями. С другой стороны, 27-дневное вращение Солнца не было значительным в атмосферном электрическом поле, измеренном в Словакии и Чехии, и, следовательно, не было значительного влияния B _x и B _y на атмосферное электрическое поле. наблюдалось на этих среднеширотных станциях. Пилипенко и др. использовал данные и моделирование GLOCAEM для решения давней проблемы связи между возмущениями космической погоды и атмосферным электричеством. Модель предсказывает, что скорость возбуждения Е-моды магнитосферными возмущениями низка, так что только слабая Е _z отклик величиной ~несколько В/м будет вызван геомагнитными возмущениями ~100 нТл. Однако на высотах ~30 км преобладающим становится электрическое поле Е-моды. Бозоки и др. исследовать модуляцию солнечного цикла резонатора Земля-Ионосфера, который заключает в себе электромагнитное излучение постоянного тока молнии <100 Гц, явление, известное как резонансы Шумана. Показано, что для объяснения всех наблюдений необходимо учитывать влияние солнечного рентгеновского излучения и высыпаний энергичных электронов, поскольку они изменяют добротность полости в основном в высоких широтах.

Куо и др. экспериментально подтвердил, что матричный фотометр ISUAL (AP) измерил коэффициент эмиссии N ₂ 2P/1P и сравнил его с теоретически предсказанным коэффициентом эмиссии спрайтов, используя численные результаты для стримеров спрайтов. Отношения, измеренные AP в событиях гало спрайтов, согласуются с предсказанными отношениями для электрических полей головы стримера 3,7 E _k и 4,6 E _k , где E _k — электрическое поле пробоя. Большинство событий морковного спрайта инициировано на высоте 67,4 ± 7,6 км с меньшими расчетными электрическими полями 1~4 E _к . Ниже 60 км отношения, измеренные по AP, упали ниже прогнозируемого отношения ∼1 E _k .

Возмущения атмосферного электрического поля из-за крупных извержений вулканов, ядерных аварий, испытаний ядерного оружия и присутствия пустынной пыли в атмосфере рассматриваются в трех статьях. Се и др. использовать химико-климатическую модель, связанную с аэрозолем, для разработки новой глобальной модели электрической цепи. Их результаты показывают, что из-за циркуляции Брюера-Добсона существуют значительные сезонные колебания потери ионов из-за изменений в слое вулканического аэрозоля. В зимнем полушарии в высоких широтах сопротивление столба будет больше сопротивления столба в летнем полушарии. При вулканическом аэрозольном слое в фазе спада солнечной активности сопротивление столба было бы более чувствительным к флуктуациям потока электронов высыпающихся электронов от низких до средних энергий. Объединение этой модели с подмоделью глобальной цепи, включающей точное образование ионных пар за счет высыпания релятивистских электронов, могло бы прояснить связь между космической погодой и тропосферой. Кубицкий и др. проанализировать параметры атмосферного электричества, измеренные в Геофизической обсерватории в Свидере, Польша, во время крупных событий, приведших к выбросу значительного количества искусственных радиоактивных веществ в атмосферу Земли. А именно, испытания ядерного оружия 1958–1965, Чернобыльская катастрофа в 1986 г. и авария на Фукусиме в 2011 г. Mallios et al. изучали прилипание ионов к осаждающимся сферическим частицам пыли с использованием одномерной численной модели, которая оценивает приобретенный электрический заряд на частицах пыли и рассчитывает электрическую силу, действующую на них. Используя наблюдаемое распределение пыли по размерам, авторы обнаружили, что частицы приобретают заряд в диапазоне от 1 до 1000 элементарных зарядов в зависимости от их размера и плотности. Частицы становятся в основном отрицательно заряженными, но при определенных условиях частицы >100 μ m может быть положительным. Крупномасштабное электрическое поле может увеличиваться до 20 раз по сравнению со средними значениями хорошей погоды. Результаты показывают, что электрической силы недостаточно, чтобы существенно повлиять на гравитационное оседание частиц. Это указывает на то, что одного процесса присоединения ионов недостаточно для изменения динамики частиц, и указывает на необходимость включения трибоэлектрических эффектов и восходящих потоков, чтобы полностью представить влияние электричества на динамику частиц в модели.

Хантинг и др. теоретически оценить, как деревья изменяют окружающие их электрические поля, и эмпирически сравнить влияние деревьев на динамику градиента атмосферного потенциала, положительные ионы, уровень земли и электрохимические свойства почвы. Показано, что значительное увеличение градиента атмосферного потенциала лишь незначительно влияет на электрическое поле под кронами деревьев, а электрохимические свойства почвы связаны с временной динамикой положительных ионов вблизи приземной атмосферы. Деревья уменьшают временную изменчивость как концентрации положительных ионов на уровне земли, так и окислительно-восстановительного потенциала почвы. Результаты показывают, что дерево может изменять временную изменчивость атмосферного электрического поля у земли и электрохимию почвы, и поэтому возможно, что почвенные микроорганизмы, процессы и электрочувствительные организмы косвенно зависят от атмосферных электрических полей.

Tacza et al. представить измерения градиента потенциала с пяти удаленных станций в высоких широтах Южного и Северного полушария, чтобы свести к минимуму влияние местных эффектов. Они представляют первое описание новых наборов данных из Галлея, Антарктика, и Соданкюля, Финляндия, а также новые критерии для определения условий хорошей погоды на заснеженных участках. Показано, что скорость ветра всего 3 м/с может поднимать частицы снега, и что выбор места измерения является важным фактором при определении этой пороговой скорости ветра. Суточный и сезонный анализ градиента потенциала в условиях хорошей погоды показывает прекрасное совпадение с кривой Карнеги глобальной электрической цепи. Это показывает, что места в высоких широтах, в которых иногда присутствуют магнитные и солнечные влияния, также могут обеспечить глобальные репрезентативные измерения для глобальных исследований электрических цепей.

Rusz et al. использовать массив микробарометров с большой апертурой для расчета местоположения источников инфразвукового излучения от грозовых разрядов, используя временные задержки между быстрыми изменениями электростатического поля и приходом инфразвуковых сигналов. Для большинства проанализированных случаев расчетное местоположение источника инфразвука соответствует местоположению молнии, определенному европейской сетью обнаружения молний EUCLID. Метод позволяет рассчитать высоту источника инфразвука, которая обычно составляет ~3–5 км. Тритакис и др. создавали искусственные помехи, такие как стрельба из винтовок, работа двигателя автомобиля, автомобильное радио и тряска аппаратуры, рядом со станциями записи ELF, чтобы определить влияние таких радиочастотных помех на записи электромагнитных волн в диапазоне шумановского резонанса <100 Гц. Такие помехи имитируют антропогенные шумы от охотников, туристов и отдыхающих, которые могут возникать вблизи удаленных станций записи ELF. Работа может помочь разграничить искусственные сигналы, созданные в результате антропогенной деятельности, и естественные сигналы, связанные с геофизическими явлениями.

Вклад авторов

И.М. разработал идею темы исследования « Атмосферное электричество ». IM, MF, KK и EM являются участниками и редакторами темы исследования « Атмосферное электричество ». KK написал первый черновик этой редакционной статьи при редактировании и дополнительном вкладе IM, MF и EM. Все перечисленные авторы внесли существенный, непосредственный и интеллектуальный вклад в работу и одобрили ее для публикации.

Финансирование

Работа И.М. в СПбГУ «Лаборатория исследования озонового слоя и верхних слоев атмосферы» выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации по договору подряда №. 075-15-2021-583. Работа MF спонсировалась грантом Королевского общества (Великобритания) NMG/R1/180252 и Советом по исследованиям окружающей среды (Великобритания) в рамках грантов NE/L012669/1 и NE/H024921/1. Работа над проектом MF получила финансирование от исследовательской и инновационной программы Horizon 2020 Европейского Союза в рамках соглашения о гранте Марии Склодовской-Кюри 722337.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Примечание издателя

Все утверждения, изложенные в этой статье, принадлежат исключительно авторам и не обязательно представляют претензии их дочерних организаций или издателя, редакторов и рецензентов. Любой продукт, который может быть оценен в этой статье, или претензии, которые могут быть сделаны его производителем, не гарантируются и не поддерживаются издателем.

Благодарности

Мы благодарим авторов статей, опубликованных в теме исследования « Атмосферное электричество », за их ценный вклад и рецензентов за важные обзоры. KK, IM и EM подтверждают действие COST CA15211 «ELECTRONET». IM выражает благодарность доктору Евгению Розанову за помощь в организации темы исследования « Атмосферное электричество ». Эта тема исследования была реализована в сотрудничестве с доктором Светланой Дементьевой. IM выражает благодарность Рошану Пателю из редакции «Frontiers in Earth Science» за поддержку в процессе редактирования.

Ключевые слова: атмосферное электричество, глобальная электрическая цепь, магнитосфера-ионосфера-атмосфера, резонансы Шумана, микрофизика аэрозолей и облаков. Перед. наук о Земле. 10:853584. doi: 10.3389/feart.2022.853584

Поступила в редакцию: 12 января 2022 г.