АТМОСФЕ́РНОЕ ЭЛЕКТРИ́ЧЕСТВО

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.