АТМОСФЕРНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

АТМОСФЕРНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО. В атмосфере всегда имеются электрические заряды, происходящие от наличия в ней положительно и отрицательно заряженных ионов. Атмосфера находится под непрерывным воздействием ряда факторов, в большей или меньшей степени обогащающих её ионами. Такими факторами-ионизаторами являются, гл. обр., излучения радиоактивных веществ (радий, торий, актиний и продукты их распада), содержащихся в земной коре и в самой атмосфере, а также космические лучи. В 1 см³ воздуха нижних слоев атмосферы насчитывается в ср. ок. 500 - 600 положительных и отрицательных ионов. Наличием ионов в атмосфере обусловливается нек-рая электропроводимость воздуха. Она очень мала, в сотни миллиардов раз меньше электропроводимости почвы, но всё же м. б. измерена спец. приборами. Число ионов в 1 см3 воздуха и его проводимость испытывают колебания в течение суток и в течение года и зависят от ряда метеорологических условий. Наибольшее значение имеют чистота и прозрачность воздуха. Чем больше содержится в воздухе частичек пыли, тумана и пр., тем меньше становится его проводимость. Повышение темп-ры воздуха и почвы сопровождается увеличением числа ионов в атмосфере и её проводимости.

Ионы могут оседать на капельках тумана и облаков, и тогда эти капельки получают электрический заряд. Одноимённые заряды капель препятствуют их слиянию (коагуляции), т. к. такие заряженные капельки взаимно отталкиваются. В этом случае туман устойчив, а облака, даже густые и плотные, долго не дают дождя. Напротив, если капельки тумана и облаков не обладают зарядами или имеют заряды противоположные, то это способствует их слиянию и укрупнению и влечёт за собой выпадение осадков. Наблюдения показали, что капли дождя и снежинки также нередко заряжены, причём заряды бывают положительные и отрицательные. В атмосфере число положительных ионов неск. превышает число отрицательных, и, так обр., каждый см³ воздуха имеет небольшой положительный заряд. Земля всегда заряжена отрицательно. Вследствие этого в атмосфере, даже в ясную и безоблачную погоду, всегда наблюдается наличие электрического поля, т. е. обнаруживается действие электрических сил. Напряжение электрического поля измеряется разностью потенциалов между 2 точками в атмосфере, расположенными одна над другой на расстоянии 1 м. Наблюдения показывают, что эта разность потенциалов составляет в ср. ок. 120 в на 1 м.

С высотой напряжение поля уменьшается, т. е. отрицательный заряд земли постепенно компенсируется положительными зарядами атмосферы. Наблюдениями установлены довольно правильный суточный и годовой ход напряжения электрического поля и зависимость его от метеорологических факторов. Во время дождя, снега, метелей, пыльных бурь напряжение электрического поля испытывает быстрые и значительные колебания и в самое короткое время может переходить от больших положительных к большим отрицательным величинам. Наибольшей же интенсивности электрические явления в атмосфере достигают во время грозы, когда напряжение электрического поля может доходить до 10000 и даже до 100000 в на 1 м.

Грозовое облако в своей нижней части обычно заряжено отрицательно, в верхней же части имеются положительные заряды. Кроме того, в передней части облака, где сосредоточены мощные восходящие токи воздуха, также наблюдается скопление положительных зарядов (рис. 1)

Рис. 1. Схема грозового облака: сплошные линии со стрелками вверх - мощные восходящие токи воздуха; знаками 4- и - обозначено распределение положительных и отрицательных зарядов в облаке

Исследования показывают, что в сильном восходящем токе воздуха, сопровождающем грозовое облако, происходит разбрызгивание водяных капель, причём мелкие капли заряжаются отрицательно, а крупные положительно. Воздушным потоком мелкие капли, как более лёгкие, разносятся по всему облаку, а крупные сосредоточиваются в головной части облака. Вершина грозового облака состоит из ледяных кристаллов. Вследствие трения о воздух кристаллики электризуются отрицательно, а воздух положительно. Отрицательные заряды, вместе с падающими кристаллами, перемещаются вниз, а наверху остаются положительные заряды. Это приводит к образованию чрезвычайно больших разностей потенциалов как между отдельными частями облака, так и между облаком и землёй. Воздух не выдерживает возникших электрических напряжений, и происходят искровые разряды - молнии, сопровождаемые сильными звуковыми ударами - громом. Дл. молнии обычно 2 - 3 км, но иногда бывают молнии длиной св. 10 км. Молния обычно имеет ряд разветвлений (рис. 2). Кроме линейных молний (в виде искр), иногда наблюдаются плоские молнии, мгновенные вспышки, охватывающие свечением значительную часть облака и представляющие, повидимому, тихие светящиеся разряды отдельных капель. В редких случаях встречается шаровая молния, огненный шар величиной с кулак, иногда с голову человека, движущийся вместе с потоком воздуха и обычно через неск. секунд взрывающийся с громким треском.

Рис. 2. Искровая молния с разветвлением

Число гроз возрастает к экватору и убывает к полюсам, действие молнии разрушительно. Попадая в деревья, она иногда раскалывает их и разбивает в щепки. От ударов молнии страдают и здания, в к-рых молния может произвести значительные повреждения и вызвать пожар. Ж-ные и люди часто поражаются насмерть. Грозовые разряды нередко служат причиной аварий на линиях высоковольтных электрических передач. Молния чаще всего ударяет в наиболее выступающие над землёй предметы (башни, мачты, столбы, деревья). Поэтому во время грозы опасно становиться под отдельно стоящее дерево. Чем выше дерево, тем больше опасность. Не рекомендуется оставаться на вершине холма или на открытой равнине.

Целесообразнее искать укрытия в небольших углублениях на склон? холмов. Лучше сесть или лечь на землю, чем стоять во весь рост. Проводимость почвы и грунта влияет на поражаемость места молнией. Участки с сырой глинистой почвой, где близко стоят грунтовые воды, места заболоченные, поражаются чаще, чем участки с сухой песчаной почвой. При поражениях молнией нужно применять искусственное дыхание в течение часа и более и защищать тело от холода. Из древесных пород от ударов молнии наиболее страдают те, к-рые имеют глубоко сидящие и разветвленные корни и так. обр. представляют наименьшее сопротивление прохождению электричества. Лиственные породы поражаются чаще, чем хвойные.

Рис. 3. Стержневой молниеотвод (пунктиром обозначено: наверху - защищаемое пространство, внизу - заземление)

Для защиты зданий от молний употребляются молниеотводы - сооружения, принимающие на себя удары молний я отводящие электричество в землю. Наиболее простым молниеотводом служит металлический стержень, установленный на крыше здания и соединённый хорошим проводником (пучок проволок, трос) с металлической пластиной, закопанной в землю на уровне грунтовых вод (рис. 3). Железная крыша и др. металлические части здания д. б. соединены с молниеотводом. Пространство, защищаемое стержневым молние-отзодом, имеет вид конуса, образующая к-рого составляет с вертикальным стержнем угол ок. 45°.

Кроме мощных грозовых разрядов, при достаточной интенсивности электрического поля, в атмосфере иногда наблюдаются тихие светящиеся разряды в виде кистей или пучков, исходящих из заострённых и выдающихся частей земных предметов. Верхние слои атмосферы, на выс. св. 80 км, по своему электрическому состоянию резко отличаются от нижних. Они обладают чрезвычайно большой электрической проводимостью, не уступающей проводимости почвы и воды. Это имеет большое значение для работы радиостанций. Коротковолновая радиопередача на далёкие расстояния возможна лишь потому, что радиоволны, распространяющиеся от передающей станции, отражаются от верхнего, проводящего слоя атмосферы и вновь попадают на землю. На крайнем С. (а также в высоких широтах юж. полушария) в верхних слоях атмосферы нередко наблюдается величественная картина полярных сияний, представляющих собой разнообразные формы свечения ночного неба в виде дуг, колеблющихся занавесей, пучков лучей, рассеянного света. Явление полярных сияний обусловливается потоком электрически заряженных частиц, исходящих от солнца. Эти частицы, под действием магнетизма земли, отклоняются от своего прямого пути и попадают на землю как раз в р-нах, окружающих магнитные полюсы земли, вызывая свечение разреженных газов в верхних слоях атмосферы, на выс. от 100 до 700 км. Вследствие проводимости воздуха и наличия электрического поля, в атмосфере непрерывно происходит движение ионов: положительных - к земле, а отрицательных - от земли, т. н. ток проводимости. Принося к земле положительное электричество, ток проводимости нейтрализует её отрицательный заряд, к-рый вследствие этого должен был бы исчезнуть, если бы не было постоянно пополняющего его источника. Существует гипотеза, что возобновление отрицательного заряда земли обязано ударам молний, к-рые, согласно данным наблюдений, в 62% случаев приносят к земле отрицательное электричество.

Литература: Колобков Н., Грозы и шквалы, М., 1939; Оболенский В., Метеорология, ч. 2, Л. - М., 1939; Тверской Я., Курс геофизики, 4 изд. (сокр.), Л. - М., 1939; Стекольников И., Физика молнии и грозозащита, М. - Л., 1943.