Атмосферное электричество - Atmospheric electricity

Облако на землю молния. Обычно разрядов молнии 30 000 амперы, до 100 миллионов вольт, и излучает свет, радиоволны, рентгеновские лучи и даже гамма излучение.[1] Температура плазмы при молнии может приближаться к 28000 ° С. кельвины.

Атмосферное электричество это изучение электрические заряды в земных атмосфера (или другого планета ). Движение заряда между поверхностью Земли, атмосферой и ионосфера известен как глобальная атмосферная электрическая цепь. Атмосферное электричество - междисциплинарная тема с долгой историей, включающая концепции из электростатика, физика атмосферы, метеорология и Науки о Земле.[2]

Грозы действуют как гигантская батарея в атмосфере, заряжая электросфера примерно до 400 000 вольт по отношению к поверхности. Это создает электрическое поле во всей атмосфере, которое уменьшается с увеличением высота. Атмосферные ионы, создаваемые космическими лучами и естественной радиоактивностью, движутся в электрическом поле, поэтому очень небольшой ток течет через атмосферу даже вдали от гроз. Вблизи поверхности земли величина поля в среднем составляет около 100 В / м.[3]

Атмосферное электричество включает в себя оба грозы, которые создают молнии для быстрого разряда огромного количества атмосферного заряда, хранящегося в грозовых облаках, и постоянную электризацию воздуха из-за ионизации от космические лучи и естественная радиоактивность, которые гарантируют, что атмосфера никогда не будет достаточно нейтральной.[4]

История

Основная статья: История электромагнитной теории

Искры взяты из электрических машин и из Лейденские банки предложил ранним экспериментаторам, Hauksbee, Ньютон, Стена, Нолле, и серый, что молния возникла в результате электрических разрядов. В 1708 г. Уильям Уолл был одним из первых, кто заметил, что искровые разряды напоминают миниатюрную молнию, после наблюдения искр от заряженного куска Янтарь.

Бенджамин Франклин Эксперименты показали, что электрические явления в атмосфере принципиально не отличаются от тех, что возникают в лаборатория, перечислив много общего между электричеством и молнией. К 1749 году Франклин обнаружил, что молния обладает почти всеми свойствами, наблюдаемыми в электрических машинах.

В июле 1750 года Франклин выдвинул гипотезу, что электричество можно брать из облаков через высокий металлический корпус. воздушный с острым концом. Прежде чем Франклин смог провести свой эксперимент, в 1752 году Томас-Франсуа Далибар возведен 40-футовый (12 м) утюг стержень в Марли-ла-Виль, недалеко от Парижа, рисует искры из проходящего облака. С земля -изолированный При использовании антенн экспериментатор мог поднести заземленный провод с изолированной восковой ручкой к антенне и наблюдать искровой разряд от антенны к заземляющему проводу. В мае 1752 года Далибард подтвердил, что теория Франклина верна.

Сообщается, что примерно в июне 1752 года Франклин провел свой знаменитый эксперимент с воздушным змеем. Эксперимент с воздушным змеем повторил Ромас, который извлек из металлической струны искры длиной 9 футов (2,7 м), а затем Кавалло, который сделал много важных наблюдений над атмосферным электричеством. Лимонье (1752) также воспроизвел эксперимент Франклина с антенной, но заменил заземляющий провод частицами пыли (испытание притяжения). Он продолжил документировать условия хорошей погоды, электризация атмосферы в ясный день и ее дневной вариация. Beccaria (1775) подтвердил данные о суточных вариациях Лемонье и определил, что заряд атмосферы полярность был положительным в ясную погоду. Saussure (1779) записали данные, относящиеся к индуцированному заряду проводника в атмосфере. Инструмент Соссюра (который содержал две маленькие сферы, подвешенные параллельно на двух тонких проволоках) был предшественником электрометр. Соссюр обнаружил, что электризация атмосферы в ясных погодных условиях имеет годовые колебания и также зависит от высоты. В 1785 г. Кулон открыл электропроводность воздуха. Его открытие противоречило господствовавшей в то время мысли о том, что атмосферные газы являются изоляторами (а они в какой-то степени или, по крайней мере, не очень хорошими проводниками, если не ионизированный ). Эрман (1804) предположили, что Земля заряжена отрицательно, и Пельтье (1842) проверил и подтвердил идею Эрмана.

Несколько исследователей внесли свой вклад в растущий объем знаний об атмосферных электрических явлениях. Фрэнсис Рональдс начал наблюдать потенциальный градиент и воздушно-земные потоки около 1810 г., включая постоянные автоматические записи.[5] Он возобновил свои исследования в 1840-х годах в качестве первого почетного директора Обсерватория Кью, где был создан первый расширенный и исчерпывающий набор данных электрических и связанных с ними метеорологических параметров. Он также поставлял свое оборудование на другие объекты по всему миру с целью определения атмосферного электричества в глобальном масштабе.[6] Кельвин новый коллектор капельницы воды и разделенное кольцо электрометр [7] были введены в обсерватории Кью в 1860-х годах, и атмосферное электричество оставалось специальностью обсерватории до ее закрытия. Для высотных измерений воздушные змеи когда-то использовались, а погодные шары или аэростаты до сих пор используются для подъема экспериментального оборудования в воздух. Первые экспериментаторы даже взлетали ввысь. воздушные шары.

Hoffert (1888) с помощью первых фотоаппаратов идентифицировали отдельные нисходящие удары молнии.[8] Эльстер и Geitel, который также работал над термоэлектронная эмиссия, предложил теорию, объясняющую электрическую структуру гроз (1885 г.), а позже открыл атмосферные радиоактивность (1899) от существования положительного и отрицательного ионы в атмосфере.[9] Pockels (1897) оценка молнии Текущий интенсивности, анализируя вспышки молний в базальт (ок. 1900 г.)[10] и изучая остатки магнитные поля вызвано молнией.[11] Открытия об электрификации атмосферы с помощью чувствительных электрических инструментов и идеи о том, как поддерживается отрицательный заряд Земли, были разработаны в основном в 20 веке, когда CTR Wilson играет важную роль.[12][13] Текущие исследования атмосферного электричества сосредоточены в основном на молнии, особенно высокоэнергетических частицах и кратковременных световых явлениях, а также на роли электрических процессов, не связанных с грозой, в погоде и климате.

Описание

Атмосферное электричество присутствует всегда, и в хорошую погоду вдали от гроз воздух над поверхностью Земли заряжен положительно, а заряд поверхности Земли отрицательный. Это можно понять с точки зрения разница потенциалов между точкой на поверхности Земли и точкой где-то в воздухе над ней. Поскольку атмосферное электрическое поле в хорошую погоду имеет отрицательное направление, принято относиться к градиенту потенциала, который имеет противоположный знак и составляет около 100 В / м на поверхности. Потенциальный градиент в большинстве мест намного ниже, чем это значение, потому что это среднее значение заряда, создаваемого каждой грозой и атмосферным возмущением по всему земному шару.[4] Имеется слабый ток проводимости атмосферных ионов, движущихся в атмосферном электрическом поле, около 2 picoAmperes на квадратный метр, а воздух является слабопроводящим из-за присутствия этих атмосферных ионов.

Вариации

Глобальные суточные циклы атмосферного электрического поля с минимумом около 03 UT и достигнув пика примерно через 16 часов, были исследованы Вашингтонским институтом Карнеги в XX веке. Этот Кривая Карнеги[14] вариация была описана как «фундаментальное электрическое сердцебиение планеты».[15]

Даже вдали от гроз атмосферное электричество может сильно изменяться, но, как правило, электрическое поле усиливается в тумане и пыли, тогда как электрическая проводимость атмосферы снижается.

Связи с биологией

Градиент атмосферного потенциала приводит к потоку ионов из положительно заряженной атмосферы на отрицательно заряженную поверхность земли. Над ровным полем в день с чистым небом градиент атмосферного потенциала составляет примерно 120 В / м.[16] Объекты, выступающие за эти поля, например цветы и деревья, могут увеличить напряженность электрического поля до нескольких киловольт на метр.[17] Эти приповерхностные электростатические силы обнаруживаются такими организмами, как шмель, чтобы перемещаться к цветам.[17] и паук, чтобы начать рассеяние, взлетая на воздушном шаре.[16] Также считается, что градиент атмосферного потенциала влияет на подповерхностную электрохимию и микробные процессы.[18]

Рядом с космосом

В электросфера слой (от десятков километров над поверхностью земли до ионосферы) имеет высокую электропроводность и, по существу, находится под постоянным электрическим потенциалом. В ионосфера это внутренний край магнитосфера и является частью атмосферы, которая ионизируется солнечным излучением. (Фотоионизация представляет собой физический процесс, при котором фотон падает на атом, ион или молекулу, что приводит к выбросу одного или нескольких электронов.)[19]

Космическое излучение

Основные статьи: Фоновое излучение и Космический луч

Земля и почти все живое на ней постоянно бомбардируются радиацией из космоса. Это излучение в основном состоит из положительно заряженных ионов из протоны к утюг и больше ядра производные источники за пределами наших Солнечная система. Это излучение взаимодействует с атомами в атмосфере, создавая воздушный душ вторичного ионизирующего излучения, в том числе Рентгеновские лучи, мюоны, протоны, альфа-частицы, пионы, и электроны. Ионизация из-за этого вторичного излучения гарантирует, что атмосфера является слабопроводящей, и что небольшой ток, протекающий от этих ионов по поверхности Земли, уравновешивает ток, протекающий от гроз.[3] Ионы имеют характерные параметры, такие как мобильность, срок службы и скорость генерации, которые меняются в зависимости от высота.

Грозы и молнии

Основные статьи: Грозы и молния

В разность потенциалов между ионосфера и Земля поддерживается грозы, с ударами молнии, доставляющими отрицательные заряды из атмосферы на землю.

Карта мира, показывающая частоту ударов молний, ​​количество вспышек на км² в год (равновеликая проекция). Молния чаще всего поражает Демократическая Республика Конго. Объединенные данные 1995–2003 гг. С оптического детектора переходных процессов и данные 1998–2003 гг. С датчика изображения молний.

Столкновения льда с мягким градом (крупой) внутри кучево-дождевые облака вызывает разделение положительного и отрицательного обвинения в облаке, необходим для генерации молний. Как изначально образуется молния, до сих пор остается предметом споров: ученые изучили основные причины, начиная от атмосферных возмущений (ветер, влажность и т. Д.). атмосферное давление ) к воздействию Солнечный ветер и энергичные частицы.

Средняя разрядка молнии несет отрицательный электрический ток 40 килоамперы (кА) (хотя некоторые болты могут быть до 120 кА), и переносит заряд в пять кулоны и энергия 500 MJ, или энергии, достаточной для питания 100-ваттной лампочки чуть менее двух месяцев. Напряжение зависит от длины болта, при этом пробой диэлектрика Воздух составляет три миллиона вольт на метр, а молнии часто имеют длину несколько сотен метров. Однако создание лидера молний - это не простой вопрос пробоя диэлектрика, и окружающие электрические поля, необходимые для распространения лидера молний, ​​могут быть на несколько порядков меньше, чем прочность диэлектрического пробоя. Кроме того, градиент потенциала внутри хорошо развитого канала обратного хода составляет порядка сотен вольт на метр или меньше из-за интенсивной ионизации канала, что приводит к истинной выходной мощности порядка мегаватт на метр для энергичного возврата. рабочий ток 100 кА.[10]

Если известно количество воды, которая конденсируется в облаке и впоследствии выпадает из него, то можно рассчитать полную энергию грозы. При средней грозе выделяемая энергия составляет около 10 000 000 киловатт-часов (3,6×1013 джоуль ), что эквивалентно 20 килотонн ядерная боеголовка. Сильная и сильная гроза может быть в 10-100 раз более мощной.

Последовательность молний (длительность: 0,32 секунды)

Коронные разряды

Изображение атмосферного электричества в марсианской пыльной буре, которое было предложено в качестве возможного объяснения загадочных химических результатов на Марсе (см. Также Биологические эксперименты спускаемого аппарата "Викинг" )[20]

Огонь Святого Эльма электрическое явление, при котором светящийся плазма создается коронарный разряд происходящий из заземленный объект. Шаровая молния часто ошибочно идентифицируется как огонь Святого Эльма, тогда как они представляют собой отдельные и разные явления.[21] Огонь Святого Эльма, хотя и называют его «огнем», на самом деле плазма, и наблюдается, как правило, во время гроза на верхушках деревьев, шпилей или других высоких объектах или на головах животных в виде кисти или светящейся звезды.

Корона вызывается электрическим полем вокруг рассматриваемого объекта. ионизирующий молекулы воздуха, производящие слабое свечение хорошо виден в условиях низкой освещенности. Примерно 1000 - 30 000 вольт на сантиметр требуется, чтобы вызвать огонь Святого Эльма; однако это зависит от геометрия рассматриваемого объекта. Острые точки, как правило, требуют более низких уровней напряжения для получения того же результата, потому что электрические поля более сконцентрированы в областях с высокой кривизной, поэтому разряды более интенсивны на концах заостренных предметов. И огонь Святого Эльма, и обычные искры могут появиться при воздействии высокого электрического напряжения на газ. Огонь Святого Эльма наблюдается во время грозы, когда земля под грозой электрически заряжена, а в воздухе между облаком и землей присутствует высокое напряжение. Напряжение разрывает молекулы воздуха, и газ начинает светиться. Азот и кислород в атмосфере Земли заставляют Огонь Святого Эльма флуоресцировать синим или фиолетовым светом; это похоже на механизм, который заставляет светиться неоновые вывески.

Полость Земля-Ионосфера

Основная статья: Шумановский резонанс

В Шумановские резонансы представляют собой набор пиков спектра в крайне низкочастотной (СНЧ) части спектра электромагнитного поля Земли. Резонанс Шумана возникает из-за того, что пространство между поверхностью Земли и проводящей ионосферой действует как волновод. Ограниченные размеры Земли заставляют этот волновод действовать как резонатор для электромагнитных волн. Полость естественно возбуждается энергией от ударов молнии.[22]

Заземление электрической системы

Основная статья: Система заземления

Атмосферные заряды могут вызвать нежелательное, опасное и потенциально смертельное накопление потенциального заряда в подвесных системах распределения электропитания. Оголенные провода, подвешенные в воздухе на многие километры и изолированные от земли, могут собирать очень большие накопленные заряды при высоком напряжении, даже когда нет грозы или молнии. Этот заряд будет стремиться разрядиться по пути наименьшей изоляции, что может произойти, когда человек протягивает руку, чтобы активировать выключатель питания или использовать электрическое устройство.

Чтобы рассеять накопление атмосферного заряда, одна сторона электрической распределительной системы подключается к земле во многих точках по всей распределительной системе так же часто, как и на каждой опоре. столб. Один заземленный провод обычно называют «защитным заземлением», он обеспечивает путь для рассеивания потенциала заряда, не вызывая повреждений, и обеспечивает резервирование на случай, если какой-либо из путей заземления плохой из-за коррозии или плохой проводимости заземления. . Дополнительный электрический заземляющий провод, на который не подается питание, выполняет второстепенную роль, обеспечивая путь сильноточного короткого замыкания для быстрого срабатывания предохранителей и обеспечения безопасности поврежденного устройства, вместо того, чтобы незаземленное устройство с поврежденной изоляцией становилось "электрически активным" через электросети и опасны для прикосновения.

Каждый трансформатор в распределительной сети переменного тока система заземления сегментируется в новый отдельный контур цепи. Эти отдельные сети также должны быть заземлены с одной стороны, чтобы предотвратить накопление заряда внутри них по сравнению с остальной частью системы, что может вызвать повреждение из-за разряда зарядных потенциалов через катушки трансформатора на другую заземленную сторону распределительной сети.

Смотрите также

Общий
Электромагнетизм
Другой

Ссылки и внешние статьи

Цитаты и примечания

  1. ^ Видеть Вспышки в небе: всплески гамма-излучения Земли, вызванные молнией
  2. ^ Чалмерс, Дж. Алан (1967). Атмосферное электричество. Pergamon Press.
  3. ^ а б Харрисон, Р. Г. (1 января 2011 г.). «При ясной погоде атмосферное электричество». Journal of Physics: Серия конференций. 301 (1): 012001. Bibcode:2011JPhCS.301a2001H. Дои:10.1088/1742-6596/301/1/012001. ISSN  1742-6596.
  4. ^ а б «Поглощение атмосферным электричеством». 17 марта 2008 г. Архивировано с оригинал 17 марта 2008 г.. Получено 31 октября, 2018.
  5. ^ Рональдс, Б.Ф. (2016). Сэр Фрэнсис Рональдс: отец электрического телеграфа. Лондон: Imperial College Press. ISBN  978-1-78326-917-4.
  6. ^ Рональдс, Б.Ф. (июнь 2016 г.). «Сэр Фрэнсис Рональдс и первые годы обсерватории Кью». Погода. 71 (6): 131–134. Bibcode:2016 Вт ... 71..131R. Дои:10.1002 / wea.2739.
  7. ^ Аплин, К. Л .; Харрисон, Р. Г. (3 сентября 2013 г.). «Измерения атмосферного электричества лорда Кельвина». История гео- и космических наук. 4 (2): 83–95. arXiv:1305.5347. Bibcode:2013HGSS .... 4 ... 83A. Дои:10.5194 / hgss-4-83-2013. ISSN  2190-5010. S2CID  9783512.
  8. ^ Труды физического общества: тома 9-10. Институт физики и физического общества, Физическое общество (Великобритания), Физическое общество Лондона, 1888. Прерывистые молнии. Автор HH Hoffert. Стр.176.
  9. ^ Фрике, Рудольф Г. А .; Шлегель, Кристиан (4 января 2017 г.). "Юлиус Эльстер и Ханс Гейтель - Диоскуры физиков и пионеры в области атмосферного электричества". История гео- и космических наук. 8 (1): 1–7. Bibcode:2017HGSS .... 8 .... 1F. Дои:10.5194 / hgss-8-1-2017. ISSN  2190-5010.
  10. ^ а б Владимир А. Раков, Мартин А. Умань (2003) Молния: физика и эффекты. Издательство Кембриджского университета
  11. ^ Базальт, будучи ферромагнитный минерал, становится магнитно поляризованным при воздействии большого внешнего поля, например, возникающего при ударе молнии. Видеть Аномальная остаточная намагниченность базальта. pubs.usgs.gov/bul/1083e/report.pdf для получения дополнительной информации.
  12. ^ Энциклопедия геомагнетизма и палеомагнетизма - Стр. 359
  13. ^ Харрисон, Джайлз (1 октября 2011 г.). «Камера Вильсона и наследие CTR Wilson науке об атмосфере» (PDF). Погода. 66 (10): 276–279. Bibcode:2011Чт ... 66..276ч. Дои:10.1002 / wea.830. ISSN  1477-8696.
  14. ^ Харрисон, Р. Джайлс (2012). "Кривая Карнеги" (PDF). Исследования в области геофизики. 34 (2): 209–232. Bibcode:2013SGeo ... 34..209H. Дои:10.1007 / s10712-012-9210-2. S2CID  29093306.
  15. ^ Атмосферное электричество влияет на высоту облаков http://physicsworld.com/cws/article/news/2013/mar/06/atmospheric-electricity-affects-cloud-height
  16. ^ а б Морли, Эрика Л .; Роберт, Дэниел (2018). "Электрические поля вызывают у пауков полеты на воздушном шаре". Текущая биология. 28 (14): 2324–2330.e2. Дои:10.1016 / j.cub.2018.05.057. ЧВК  6065530. PMID  29983315.
  17. ^ а б Кларк, Доминик; Уитни, Хизер; Саттон, Грегори; Роберт, Дэниел (2013). «Обнаружение и изучение цветочных электрических полей шмелями». Наука. 340 (6128): 66–69. Bibcode:2013Наука ... 340 ... 66C. Дои:10.1126 / наука.1230883. ISSN  0036-8075. PMID  23429701. S2CID  23742599.
  18. ^ Охота, Эллард Р .; Харрисон, Р. Джайлс; Брудер, Андреас; ван Бодегом, Питер М .; van der Geest, Harm G .; Kampfraath, Andries A .; Форенхаут, Мишель; Адмираал, Вим; Куселл, Каспер; Гесснер, Марк О. (2019). «Атмосферное электричество, влияющее на биогеохимические процессы в почвах и отложениях». Границы физиологии. 10: 378. Дои:10.3389 / fphys.2019.00378. ISSN  1664-042X. ЧВК  6477044. PMID  31040789.
  19. ^ ИЮПАК, Сборник химической терминологии, 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) "фотоионизация ". Дои:10.1351 / goldbook.P04620
  20. ^ Harrison, R.G .; Barth, E .; Эспозито, Ф .; Merrison, J .; Montmessin, F .; Аплин, К. Л .; Борлина, Ц .; Berthelier, J. J .; Депрес, Г. (12 апреля 2016 г.). "Применение наэлектризованной пыли и электродинамики пылевого дьявола к марсианскому атмосферному электричеству". Обзоры космической науки. 203 (1–4): 299–345. Bibcode:2016ССРв..203..299Х. Дои:10.1007 / s11214-016-0241-8. ISSN  0038-6308.
  21. ^ Барри, JD (1980a) Шаровая молния и бусовая молния: экстремальные формы атмосферного электричества. 8–9. Нью-Йорк и Лондон: Plenum Press. ISBN  0-306-40272-6
  22. ^ "НАСА - резонанс Шумана". www.nasa.gov. Получено 31 октября, 2018.


Другое чтение

  • Ричард Э. Орвилл (ред.) "Атмосферное и космическое электричество". (Виртуальный" Выбор редакции " журнал ) – "Американский геофизический союз ". (AGU ) Вашингтон, округ Колумбия, 20009-1277, США
  • Шонланд, Б. Ф. Дж. "Атмосферное электричество"Метуэн и Ко., Лтд., Лондон, 1932 г."
  • МакГорман, Дональд Р., У. Дэвид Раст, Д. Р. Макгорман и У. Д. Раст "Электрическая природа штормов". Oxford University Press, март 1998 г." ISBN  0-19-507337-1
  • Волланд, Х. "Атмосферная электродинамика », Springer, Берлин, 1984.

Сайты

дальнейшее чтение

внешняя ссылка