Электричество в атмосфере - Физика в школе
Главное меню:
статьи
Электричество в атмосфере
Несомненно, что молнию во время грозы наблюдали все. Немало найдется людей, которые любовались северным сиянием. Но видевших шаровую молнию, или свечение остроконечных высоких предметов, или огни в горах, вероятно, окажется, немного. Между тем все эти и часто и редко встречающиеся явления имеют одну и ту же электрическую природу.До того, как ученые начали исследовать подобные факты, было широко распространено убеждение в их божественном происхождении.
Больше всего поражала воображение людей, конечно, гроза. В древнеиндийской легенде она представлялась в виде борьбы на небе между добрым богом крестьян Индрой и демоном засухи Вритрой. В этой борьбе Индра побеждает Вритру и вынуждает его излить небесные воды на землю. Известна легенда, согласно которой молния — это огненная стрела, выпускаемая Ильей - пророком, а гром - это звук от его колесницы, на которой он передвигается по небу. Все эти и подобные им представления о грозе охотно поддерживались различными религиозными верованиями, проповедники которых стремились внушить людям, что молния, вызывающая пожары и убивающая людей, является карающим «мечом божиим».
Однако в первой половине XVIII века учеными была высказана мысль о том, что маленькая электрическая искра и сопровождающий ее треск, возникающие при трении стекла или смолы, одинаковы по природе с молнией и громом. В середине XVIII столетия правильность этой мысли была подтверждена опытами, произведенными физиками разных стран по почину Франклина. Из стержня или проволоки, расположенной на возвышении и соединенной с землей, во время грозы проскакивала с треском искра.
Большой вклад в изучение атмосферного электричества и, в частности, такого явления, как молния, внес М. В. Ломоносов, предложивший еще до Франклина свое объяснение «атмосферной электрической силы». Он обратил внимание на то обстоятельство, что в атмосфере постоянно происходит вертикальное перемещение потоков воздуха. Охлажденные и потому отяжелевшие его слои опускаются вниз, а нагретые «пары» поднимаются вверх. Трение, вызванное вертикальными потоками воздуха, наэлектризовывает его. а также замерзшие частички пара. В результате образуется «електрическая сила», которая, «распространяясь по облаку, весь оный занимает...».
Разумеется, с точки зрения современной науки, процесс возникновения электрических зарядов в атмосфере выглядит гораздо сложнее, чем это представлялось Ломоносову. Однако в общем, он наметил правильное решение этого вопроса. Его положение об «електричестве из мерзлых частичек паров» предвосхитило некоторые современные теории, усматривающие причину возникновения электричества в облаках в наличии в них мелких ледяных частичек.
Молния во время грозы, свечение высоких предметов и огни в горах, а также шаровая молния и атмосферные помехи при радиоприеме (атмосферики) — все эти явления происходят в нижних слоях атмосферы — тропосфере и представляют собой либо электрический разряд, либо производную от него. Каковы же те условия, которые обусловливают их возникновение? Уже давно было известно, что в воздушной оболочке нашей планеты существует электрическое поле, которое в дни хорошей погоды, то есть без дождей и при малой облачности, при отсутствии сильных ветров, как правило, имеет направленность к земной поверхности. При таком направлении электрического поля атмосфера оказывается заряженной положительно по отношению к земле, а напряженность поля вблизи земной поверхности составляет около 120 вольт на каждый метр высоты. Кроме того, в конце XIX столетия было обнаружено, что в воздухе имеются заряженные положительным или отрицательным электричеством частички (ионы), которые, как выяснилось, образуются главным образом при радиоактивном распаде веществ земной коры, а также благодаря действию космического излучения и некоторых других причин. Поскольку в атмосфере существует постоянное электрическое поле, ионы, двигаясь в нем, создают электрический ток, сила которого, если просуммировать на всю земную поверхность, оценивается величиной около 1 500 ампер. Однако при некоторых процессах в воздушной оболочке земли, и в частности во время гроз, электрическое состояние атмосферы сильно изменяется. Современная наука дает следующее объяснение образованию гроз. Теплый и влажный воздух, поднимаясь вверх, охлаждается и выделяет воду в виде капелек. В итоге образуется облако. Облачные капельки, поднимаясь до уровней с температурой ниже нуля, часто находятся в переохлажденном состоянии. В некоторых случаях они остаются жидкими даже при 40 градусах мороза. Но при температурах ниже нуля водяной пар может переходить и прямо в лед.
Этот процесс называется сублимацией. В результате в облаке будут находиться и ледяные и водяные частицы, и оно окажется в неустойчивом состоянии: В нем будут быстро расти ледяные кристаллы за счет капелек, особенно переохлажденных. В грозовом облаке все это может протекать очень бурно.
При возникновении и росте облачных частиц, а также при их взаимодействии происходит электризация. Чем интенсивнее процесс, тем сильнее электризация. При этом частицы, а, следовательно, и электрические заряды распределяются в облаке неравномерно. Исследованиями установлено, что положительные заряды чаще всего сосредоточиваются вверху, а отрицательные — внизу, хотя в различных стадиях развития облака картина распределения может быть и другой. Разделенные заряды обусловливают создание электрических полей большой напряженности, что и приводит к электрическим разрядам. Обычная молния представляет собой искровой разряд, то есть большой протяженности электрическую искру, проскакивающую между облаком и землей или между облаками, а также довольно часто между облаком и верхними надоблачными слоями. Сопровождающий ее звук (гром) возникает от взрыва раскаленных газов.
Различают несколько типов молнии. Молния в виде длинной разветвляющейся искры, похожая на речную систему, как ее изображают на географических картах, и сопровождающаяся громом, называется линейной молнией. Длина ее в среднем 2—3 километра, но иногда достигает 20 километров. Наблюдались случаи молнии (между облаками) длиной в 50 километров. Молния в виде общей вспышки поверхности облака носит название плоской. Это кратковременный разряд, охватывающий большую часть облака и состоящий из светящихся разрядов отдельных облачных частиц. Наблюдается он не только в облаках, но и в приземном тумане и обычно не сопровождается громом. Плоскую молнию не следует смешивать с зарницей, то есть освещением облаков удаленной, непосредственно невидимой линейной молнией. Механизм образования линейной молнии был исследован профессором И. С. Сокольниковым. В случае ее разряда на землю перед этим происходит следующее. С накоплением достаточного количества электричества в облаке из нижней его части, заряженной отрицательно, потекут электроны, которые по мере увеличения напряженности электрического поля между облаком и землей будут все более интенсивно возникать и быстрее продвигаться к земной поверхности. Получается лавинообразное нарастание потока электронов, прокладывающих путь для электрического разряда. Этот процесс носит название лидера. По проложенному пути от земли к облаку устремится положительное электричество, а из облака к земле — отрицательное. В результате произойдет разряд, который мы и наблюдаем в виде молнии. Этот разряд представляет собой электрический ток малой продолжительности, порядка тысячной доли секунды.
Часто по пути, проложенному первым разрядом, сразу же устремляется новый лидер, а за ним снова главный разряд. Таких отдельных разрядов, или, как их называют, импульсов, состоящих каждый из своего лидера и главного разряда, может возникнуть от 1 до 40. Чаще их бывает 2 - 3.
Количество электричества, связанное с вспышкой молнии, колеблется в пределах 10 - 50 кулонов. С технической точки зрения, это ничтожная величина, но если принять во внимание малую длительность грозового разряда, то не удивительно, что сила тока молнии доходит до 200 тысяч ампер, а энергия измеряется цифрой порядка 2 тысяч киловатт. Число гроз, происходящих на земном шаре, очень велико: в среднем 16 миллионов в год, или 44 тысячи в день. Число же молний составляет около 100 каждую секунду. Так называемые тихие разряды вызывают свечение остроконечных высоких предметов или огни в горах (огни Эльма). Объясняются они следующим образом. При больших напряженностях электрического поля (около 100 тысяч вольт на метр, над гладкой поверхностью) ионы, имеющиеся в воздухе, получают вблизи острий скорость, достаточную для выбивания электрона из нейтральных молекул воздуха. Происходит, как говорят, ударная ионизация. При интенсивном течении этот процесс сопровождается свечением.
Огни Эльма возникают главным образом во время гроз, шквалов и снежных бурь. Чаще всего они видны на вершинах гор, причем истечение электричества замечается не только из скал, зданий и предметов, но и из животных и людей. Много интересного об этом можно услышать от альпинистов, которые бывали застигнуты в горах грозой. Зарегистрированы случаи, когда из каждого пальца поднятой вверх руки излучался голубоватый пучок света, а волосы на голове становились дыбом и тоже светились. Огоньки могут появиться и на одежде. Ледорубы и палки в руках начинают издавать звуки, «поют». Но, пожалуй, наиболее замечательное, редкое и «загадочное» явление, наблюдаемое также только во время грозы, представляет собой шаровая молния. Обычно она возникает в виде круглой светящейся массы величиной с кулак или даже с голову. Движется шаровая молния с умеренной скоростью по извилистому пути, часто совпадающему с направлением ветра. Иногда она исчезает бесследно, иногда разрывается со страшным треском, что в отдельных случаях сопровождается разрушениями.
Общепризнанного объяснения причин и существа шаровой молнии до сих пор еще нет. По мнению ряда ученых, шаровая молния — это сгусток наэлектризованной смеси ионизованных газов: азота, кислорода, водорода и небольшого количества озона и окислов азота. Образуется она при грозовом разряде, а ее энергия выделяется за счет химических реакций. Электрические разряды проявляются и в виде сильных тресков, которые иногда бывают при радиоприеме, мешая слушать передачи. Этот невидимый нами, но слышимый через радио процесс носит название атмосфериков. Причиной их служит молния или тихий разряд. Атмосферики - это электромагнитные возмущения, распространяющиеся в виде сложного электромагнитного импульса на значительные расстояния. С помощью специальной аппаратуры — катодных и узкосекторных пеленгаторов - определяется место их возникновения за 5 - 10 тысяч километров от наблюдателя. Появление и распространение атмосфериков отражает характер метеорологических процессов в соответствующих областях атмосферы. Поэтому изучение атмосфериков весьма важно, особенно для получения сведений о погоде из таких районов, где мало метеорологических станций.
Одно из наиболее красивых и грандиозных электрических явлений, наблюдаемых в атмосфере, - это полярные сияния. Они представляют собой свечение в высоких слоях атмосферы в виде лучей, дуг, полос, занавесей и т. п. Цвет сияния большей частью зеленоватый с различными оттенками, но может быть также красным, фиолетовым и белым. Происхождение полярных сияний объясняется тем, что, кроме света, Солнце испускает потоки мельчайших заряженных и нейтральных частиц. Магнитное поле Земли направляет заряженные частицы преимущественно в области, расположенные вокруг магнитных полюсов нашей планеты. Летя с большой скоростью, эти частицы воздействуют на верхние слои атмосферы и вызывают свечение воздуха. Подобное же свечение происходит в газосветных трубках, широко применяемых теперь для рекламы и для освещения.
Изучение полярных сияний позволяет определить химический состав и некоторые другие свойства верхних слоев атмосферы.
Таким образом, в многообразных электрических явлениях в нашей атмосфере нет ничего таинственного, сверхъестественного и необъяснимого. Все они настойчиво исследуются учеными, а результаты этих исследований обогащают знания людей о природе, используются на практике.