Что такое атмосферное электричество: Атмосферное электричество. Виды и особенности. Явления

Атмосферное электричество. Виды и особенности. Явления

В атмосфере Земли возникают различные акустические, оптические и электрические явления. Атмосферное электричество это совокупность электрических явлений в атмосфере, а также раздел физики атмосферы, изучающий эти явления. Однозначной картины того, чем является атмосферное электричество, до настоящего времени нет. Существующие модели объясняют часть явлений, обладая своими плюсами и минусами каждая.

Изучаются существующее в атмосфере электрическое поле, ионизация атмосферы и ее электрическая проводимость, атмосферные электрические токи, объемные заряды, заряды облаков и осадков, грозовые разряды и другое. К атмосферному электричеству относятся тропосферные и стратосферные процессы. Тропосфера (нижний слой атмосферы) простирается до высоты 8-18 км, в зависимости от географической широты местности; выше, до высот порядка 50 км, простирается стратосфера, еще выше лежит ионосфера.

Атмосферное электричество было доказано одним из отцов-основателей Соединенных Штатов Бенджамином Франклином, соавтором Декларации независимости и Конституции страны, чей портрет украшает 100-долларовую купюру. Будучи ученым-самоучкой, Франклин интересовался множеством физических проблем, в т.ч. и исследованиями электричества. Франклин изобрел плоский конденсатор и молниеотвод, что внесло вклад в изучение и объяснение процессов в атмосфере.

К заслугам Франклина следует отнести то, что он в 1752 году показал, что атмосферное электричество, получаемое посредством запуска воздушных змеев, способно заряжать лейденскую банку (цилиндрический конденсатор с металлическими обкладками и стеклянным диэлектриком) не хуже «земного» электричества, добываемого трением. Им же была установлена электрическая природа молнии. Для доказательства того что в воздухе присутствует атмосферное электричество Франклин использовал бумажный змей с проволокой на нем. Эти заслуги были высоко оценены его российским коллегой М.В. Ломоносовым.

В России 18 века заметный вклад в изучение атмосферных электрических явлений был внесен академиками М.В. Ломоносовым и Г.В. Рихманом. В 1745 году Рихман разработал «Электрический указатель», представлявший собой электроскоп с разделенной на градусы шкалой. Этим указателем Ломоносов с Рихманом воспользовались при создании «громовой машины» — установки для изучения интенсивности атмосферных электрических разрядов. «Громовая машина», в отличие от «электрического змея» Франклина, непрерывно фиксировала изменения атмосферного электричества, вне зависимости от погоды, и позволила ученым установить, что в атмосфере электричество разлито и в отсутствие грозы. Также им удалось доказать, что молния является электрическим разрядом в атмосфере. Особо зрелищной явилась пальба при стечении народа из батареи пушек в небо, с целью показать, что «гром не показывает электрической силы», поскольку при этом «электрический указатель ничего не показывал».

В 1753 году Рихман, во время очередного эксперимента, был убит шаровой молнией, вышедшей из «электрического указателя» во время грозы. В том же году Ломоносов выступил с докладом о разработанной им материалистической теории «Атмосферное электричество», соответствующей в принципиальных основах современным представлениям.

Ломоносов полагал, что причиной атмосферного электричества является трение пылинок воздуха о капельки воды, все это на фоне восходящих и нисходящих потоков воздуха. Северные сияния также имеют, по мнению Ломоносова, электрическую природу, он проводил опыты по воспроизведению северных сияний на моделях. Также Ломоносов рекомендовал повсеместную установку громоотводов.

Интересен опыт, произведенный в 1868 году американским дантистом Малоном Лумисом. Лумис в присутствии членов Конгресса США устанавливал беспроводную связь между двумя пунктами посредством поднятых над землей на высоту 190 м двух электропроводов, служащими передающей и приемной антенной. На расстояние 30 км при замыкании передающей антенны ключом на землю передавался сигнал, регистрируемый включенным в цепь приемной антенны гальванометром. Поскольку в цепь антенны никакие источники электропитания не подключались, придется признать, что без атмосферного электричества и здесь не обошлось.

В дальнейшем Лумис вместо воздушных змеев соорудил высокие металлизированные деревянные мачты. Особого интереса к его опытам современники не проявляли – в это время А.С. Попов еще учился в школе, а Г. Маркони еще не успел родиться. Будущее радиосвязи было связано с мощными источниками электропитания на передающей стороне с преобразованием их энергии в энергию электромагнитных волн.

По завершению 19 века наблюдается уменьшение интереса к изучению гроз и молний. Больше внимания ученые уделяляли изучению электрического поля при хорошей погоде.

Исходя из того, что человечество на Земле живет между обкладками заряженного конденсатора, неоднократно возникала мысль воспользоваться этой бесплатной энергией. Одним из первых такие мысли высказывал ученый сербского происхождения Никола Тесла, и даже проводил практические опыты в этом направлении – построил 47-метровую вышку для получения «атмосферного электричества».

Модели

Самой распространенной моделью, предоставляющей хорошую аналогию атмосферным процессам, и теоретические возможности их рассмотрения, является конденсаторная модель.

В этой модели Земля с окружающей атмосферой представлена огромным сферическим конденсатором, и, как и любой конденсатор, способна сохранять электрическую энергию. Обкладками этого конденсатора служат поверхность земли и ионосфера. Диэлектриком конденсатора служит воздух, обладающий низкой электропроводимостью. Обкладки этого «конденсатора» разнополярно заряжены – отрицательно поверхность Земли и положительно ионосфера, и между ними формируется электрическое поле.

Однако, в отличие от идеального конденсатора, где поле между обкладками однородное, поле «земного» конденсатора неоднородно, его напряженность максимальна у поверхности земли и уменьшается с высотой. Неравномерность атмосферного электрического поля объясняется электрическими явлениями в облаках, создающими объемные заряды в слоях атмосферы и обусловливающими большую напряженность электрического поля у поверхности Земли. Если у земной поверхности напряженность составляет 130 В/м, то уже на километровой высоте она падает до 40 В/м, а на высоте 12 км составляет всего 2,5 В/м.  Атмосферное электричество и его конденсаторная модель называется теорией Вильсона, по имени шотландского физика. По теории Ч. Вильсона, обкладки земного конденсатора заряжаются грозовыми облаками, обладающими зарядом в 10-20 Кл, иногда доходящими до 300 Кл.

Имеется также гипотеза советского ученого Я.И. Френкеля, в которой электрическое поле формируется путем взаимодействия и поляризации поверхности Земли и облаков, ионосфере при этом особая роль в создании электрического поля не отводит

Следствия конденсаторной модели

Из конденсаторной модели вытекает наличие токов утечки, в обычном конденсаторе снижающих его эффективность как хранителя электрического заряда, и в итоге приводящих к разряду конденсатора. Аналогом токов утечки конденсатора в «земном» конденсаторе являются конвективные токи грозовых и ураганных областей, достигающие десятков тысяч ампер. Но, в отличие от физического конденсатора, разность потенциалов между ионосферой и земной поверхностью не изменяется, т. е. земной конденсатор не разряжается, а напряженность электрического поля в атмосфере не спадает. Подобное возможно только, если дополнительный генератор будет постоянно подпитывать зарядами обкладки конденсатора. Источником энергии, подпитывающим конденсатор, является магнитное поле земли. Вращение Земли в потоке исходящего от Солнца излучения приводит к выработке электрического напряжения, создающего разность потенциалов между ионосферой и земной поверхностью.

Из конденсаторной модели вытекают следующие характеристики системы: общий заряд Земли 6·10⁵ Кл, разность потенциалов между обкладками 300 кВ, полное сопротивление атмосферы 230 Ом. Земной конденсатор постоянно разряжается суммарными токами порядка сотен ампер, и в отсутствие источников постоянного подзаряда конденсатора он бы разрядился полностью примерно за 10 минут. Природа подзаряда конденсатора окончательно не выяснена, но известно, что в областях с грозовыми облаками текут токи заряда, а в свободных от облаков областях текут токи разряда.

Атмосферные явления

Гроза и молнии

Гроза сопровождается искровыми разрядами – молниями, сопровождающимися световыми вспышками и громом. С точки зрения конденсаторной модели все это – паразитные явления. Для наземных объектов (и летящих самолетов) молнии представляют огромную опасность, вследствие своего электрического, теплового и ударного воздействия.

Атмосферное электричество как молнии бывают не только на земле, но и на других планетах Солнечной системы. Сила тока линейной земной молнии доходит до полумиллиона ампер при напряжении до миллиарда вольт и типичном значении в десятки миллионов вольт. Длительность молний достигает нескольких секунд, а длина доходит до сотен километров, при том, что молний короче нескольких сотен метров тоже не бывает.

В верхних слоях атмосферы за последние десятилетия открыты и совершенно особые виды молний – эльфы, спрайты и джеты.

Зарницы

Зарницы – вспышки света на горизонте при удаленной грозе. Вследствие удаленности раскаты грома не слышны, но видны вспышки молний. Иногда зарницы видны при совершенно ясном небе. Появляются они обычно в жаркое время года.

Огни Святого Эльма

Помимо молний (искрового разряда) в атмосфере наблюдается и коронный разряд, называемый огнями Святого Эльма. Коронный разряд возникает в газе в резко неоднородном электрическом поле вблизи электродов с большой кривизной поверхности (острие, провода). К появлению огней Святого Эльма ведет повышение напряженности электрического поля в окружающей среде, во время грозы или ее приближении, метели, шторма и пр.

В зонах вблизи острия нейтральные частицы газа ионизируются и возбуждаются в результате соударения с электронами, в результате вокруг электродов возникает «корона» – светящийся ореол. В атмосфере коронный разряд выглядит как наблюдающиеся в темноте светящиеся кисти на острых концах высоких предметов (башен, корабельных мачт).

Шаровые молнии

Шаровая молния – это газовый разряд сферической формы, выглядит как плавающее в воздухе светящееся образование, перемещающееся по непредсказуемой траектории. Очевидцы свидетельствуют, что шаровая молния появляется в грозовую погоду, иногда наряду с обычными молниями. При этом она выходит из проводника или даже предмета (столба, дерева). Попытки сфотографировать шаровую молнию или произвести видеосъемку обычно оказывались неудачными ввиду низкого качества отснятого материала.

Шаровая молния – настолько редкое и уникальное природное явление, что до сих пор не существует признанного всеми теоретического обоснования этого феномена, а до 2012 года даже не существовало подтверждения их реальности. Есть и теории, считающие наблюдения шаровой молнии следствием расстройств психики. Получить устойчивую шаровую молнию в лабораторных условиях также еще не удалось.

Похожие темы:

• Генератор Ван де Граафа. Работа и применение. Особенности
• Наведенное напряжение. Причины возникновения и опасность
• Электромагнитные волны. Опыты Герца. Излучения
• Электричество. Электрический ток. Электростанции
• Плазма. Свойства и получение. Применение и отличие. Особенности
• Генератор Маркса. Работа и применение. Особенности

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 | Британика

• Развлечения и поп-культура
• География и путешествия
• Здоровье и медицина
• Образ жизни и социальные вопросы
• Литература
• Философия и религия
• Политика, право и правительство
• Наука
• Спорт и отдых
• Технология
• Изобразительное искусство
• Всемирная история

• Этот день в истории
• Викторины
• Подкасты
• Словарь
• Биографии
• Резюме
• Популярные вопросы
• Обзор недели
• Инфографика
• Демистификация
• Списки
• #WTFact
• Товарищи
• Галереи изображений
• Прожектор
• Форум
• Один хороший факт

• Развлечения и поп-культура
• География и путешествия
• Здоровье и медицина
• Образ жизни и социальные вопросы
• Литература
• Философия и религия
• Политика, право и правительство
• Наука
• Спорт и отдых
• Технология
• Изобразительное искусство
• Всемирная история

• Britannica объясняет
  В этих видеороликах Britannica объясняет различные темы и отвечает на часто задаваемые вопросы.
• Britannica Classics
  Посмотрите эти ретро-видео из архивов Encyclopedia Britannica.
• Demystified Videos
  В Demystified у Britannica есть все ответы на ваши животрепещущие вопросы.
• #WTFact Видео
  В #WTFact Britannica делится некоторыми из самых странных фактов, которые мы можем найти.
• На этот раз в истории
  В этих видеороликах узнайте, что произошло в этом месяце (или любом другом месяце!) в истории.

• Студенческий портал
  Britannica — лучший ресурс для учащихся по ключевым школьным предметам, таким как история, государственное управление, литература и т. д.
• Портал COVID-19
  Хотя этот глобальный кризис в области здравоохранения продолжает развиваться, может быть полезно обратиться к прошлым пандемиям, чтобы лучше понять, как реагировать сегодня.
• 100 женщин
  Britannica празднует столетие Девятнадцатой поправки, выделяя суфражисток и политиков, творящих историю.
• Спасение Земли
  Британника представляет список дел Земли на 21 век. Узнайте об основных экологических проблемах, стоящих перед нашей планетой, и о том, что с ними можно сделать!
• SpaceNext50
  Britannica представляет SpaceNext50. От полёта на Луну до управления космосом — мы исследуем широкий спектр тем, которые подпитывают наше любопытство к космосу!

Содержание

• Введение

Краткие факты

• Связанный контент

Викторины

• Апрельские дожди для мартовских львов и ягнят

границ | От редакции: Atmospheric Electricity

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 компонентов гелиосферного/межпланетного магнитного поля соответственно, что согласуется 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 спрайта, 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 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 мк м 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 и др. 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 и др. 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 винтовки, работа двигателя автомобиля, автомобильное радио и тряска аппаратуры, вблизи записывающих станций 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. Проектная работа 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 их 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

Поступило: 12 января 2022 г.