Войти
Облако на землю молния. Обычно молния излучает 30 000 ампер при напряжении до 100 миллионов в и излучает свет, радиоволны, рентгеновские лучи и даже гамма-лучи. Температура плазмы при молнии может достигать 28000 кельвинов.Атмосферное электричество - это исследование электрических зарядов в атмосфере Земли (или другой планеты. ). Движение заряда между поверхностью Земли, атмосферой и ионосферой известно как глобальная электрическая цепь атмосферы. Атмосферное электричество - междисциплинарная тема с долгой историей, включающая концепции из электростатики, физики атмосферы, метеорологии и наук о Земле.
Грозы действуют как гигантская батарея в атмосфере, заряжающая электросферу примерно до 400000 вольт по отношению к поверхности. Это создает электрическое поле во всей атмосфере, которое уменьшается с увеличением высоты. 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.
Атмосферное электричество включает в себя обе грозы, которые создают молнии для быстрого разряда огромного количества атмосферного заряд, накопленный в грозовых облаках, и постоянная электризация воздуха из-за ионизации космическими лучами и естественной радиоактивностью, которые гарантируют, что атмосфера никогда не будет достаточно нейтральной.
Искры, извлеченные из электрических машин и из лейденских сосудов, предложенные для ранних экспериментов вводит Хоксби, Ньютон, Уолл, Ноллет и Грей, что молния была вызвана электрическими разрядами. В 1708 году доктор Уильям Уолл был одним из первых, кто заметил, что искровые разряды напоминают миниатюрную молнию, после наблюдения искр от заряженного кусочка янтаря.
Бенджамина Франклина. Эксперименты показали, что электрические явления в атмосфере принципиально не отличаются от тех, что производятся в лаборатории, путем перечисления многих сходств между электричеством и молнией. К 1749 году Франклин обнаружил, что молния обладает почти всеми свойствами, наблюдаемыми в электрических машинах.
В июле 1750 года Франклин предположил, что электричество можно брать из облаков через высокую металлическую антенну с острым концом. Прежде чем Франклин смог провести свой эксперимент, в 1752 году Томас-Франсуа Далибар установил 40-футовый (12 м) железный стержень в Марли-ла-Виль, недалеко от Парижа, рисует искры из проплывающего облака. С помощью антенн с заземлением - экспериментатор мог поднести заземленный провод с изолированной восковой ручкой близко к антенне и наблюдать искровой разряд от антенны к заземляющему проводу. В мае 1752 года Далибард подтвердил, что теория Франклина верна.
Примерно в июне 1752 года Франклин, как сообщается, провел свой знаменитый эксперимент с воздушным змеем. Эксперимент с воздушным змеем был повторен Ромасом, который извлек из металлической струны искры длиной 9 футов (2,7 м), и Кавалло, сделавшим много важных наблюдений за атмосферным электричеством. Лемонье (1752) также воспроизвел эксперимент Франклина с антенной, но заменил заземляющий провод частицами пыли (испытание притяжения). Он продолжил документировать условия хорошей погоды, электризацию атмосферы в ясный день и ее суточные вариации. Беккариа (1775) подтвердил данные о суточных вариациях Лемонье и определил, что заряд атмосферы полярность был положительным в хорошую погоду. Соссюр (1779) записал данные, касающиеся индуцированного проводником заряда в атмосфере. Инструмент Соссюра (который содержал две маленькие сферы, подвешенные параллельно на двух тонких проволоках) был предшественником электрометра . Соссюр обнаружил, что электризация атмосферы в ясных погодных условиях имеет годовые колебания и также зависит от высоты. В 1785 году Кулон открыл электропроводность воздуха. Его открытие противоречило господствовавшей в то время мысли о том, что атмосферные газы являются изоляторами (которые в некоторой степени являются или, по крайней мере, не очень хорошими проводниками, если они не ионизированы ). Эрман (1804) предположил, что Земля заряжена отрицательно, а Пельтье (1842) проверил и подтвердил идею Эрмана.
Несколько исследователей внесли свой вклад в растущий объем знаний об атмосферных электрических явлениях. Фрэнсис Рональдс начал наблюдать градиент потенциала и воздушно-земные потоки примерно в 1810 году, включая непрерывные автоматические записи. Он возобновил свои исследования в 1840-х годах в качестве первого почетного директора обсерватории Кью, где был создан первый расширенный и всеобъемлющий набор данных по электрическим и связанным с ними метеорологическим параметрам. Он также поставлял свое оборудование другим объектам по всему миру с целью определения атмосферного электричества в глобальном масштабе. Новый коллектор капельницы воды Кельвина и электрометр с разделенным кольцом были представлены на Обсерватория Кью в 1860-х годах, и атмосферное электричество оставалось специальностью обсерватории до ее закрытия. Для высотных измерений раньше использовались воздушные змеи, а для подъема экспериментального оборудования в воздух до сих пор используются метеозонды или аэростаты. Первые экспериментаторы даже поднимались в воздух на воздушных шарах.
Хофферт (1888) идентифицировали отдельные удары молнии вниз с помощью ранних камер. Эльстер и Гейтель, которые также работал над термоэлектронной эмиссией, предложил теорию, объясняющую электрическую структуру гроз (1885 г.), а позже обнаружил радиоактивность (1899) атмосферы на основе существования положительных и отрицательных ионы в атмосфере. Поккельс (1897) оценил силу тока молнии , проанализировав вспышки молний в базальте (ок. 1900) и изучив левый более магнитных полей, вызванных молнией. Открытия электрификации атмосферы с помощью чувствительных электрических приборов и идеи о том, как поддерживается отрицательный заряд Земли, были разработаны в основном в 20 веке, при этом важную роль сыграл CTR Wilson. 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.
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 в терминах разности потенциалов между точкой на поверхности Земли и точкой где-то в воздухе над ней. Поскольку в хорошую погоду атмосферное электрическое поле 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 миру. Существует слабый ток проводимости атмосферных ионов, движущихся в атмосферном электрическом поле, около 2 пикоампера на квадратный метр, и воздух является слабопроводящим из-за присутствия этих атмосферных ионов.
Глобальные суточные циклы атмосферного электрического поля с минимумом около 03 UT и пиком примерно через 16 часов были исследованы Вашингтонским институтом Карнеги в 20 век. Это изменение было описано как «основное электрическое сердцебиение планеты».
Даже вдали от гроз атмосферное электричество может сильно изменяться, но, как правило, электрическое поле усиливается в туманах и пыли, тогда как атмосферное электрическая проводимость снижена.
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. Объекты, выступающие за эти поля, например цветы и деревья, могут увеличить напряженность электрического поля до нескольких киловольт на метр. Эти приповерхностные электростатические силы обнаруживаются такими организмами, как шмель, чтобы перемещаться к цветам, и паук, чтобы начать рассеяние путем надувания на воздушном шаре. Считается, что градиент атмосферного потенциала также влияет на подповерхностную электрохимию и микробные процессы.
Слой электросферы (с десятков километров над поверхностью Земли в ионосферу) обладает высокой электропроводностью и, по существу, имеет постоянный электрический потенциал. Ионосфера является внутренним краем магнитосферы и является частью атмосферы, которая ионизируется солнечным излучением. (Фотоионизация - это физический процесс, при котором фотон падает на атом, ион или молекулу, что приводит к выбросу одного или нескольких электронов.)
Земля и почти все живое на ней постоянно бомбардируются радиацией из космоса. Это излучение в основном состоит из положительно заряженных ионов от протонов до ядер и более крупных ядер, полученных из источников за пределами нашей солнечной системы. Это излучение взаимодействует с атомами в атмосфере, создавая атмосферный ливень вторичного ионизирующего излучения, включая 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. Ионы имеют характерные параметры, такие как подвижность, время жизни и скорость генерации, которые меняются в зависимости от высоты.
разность потенциалов между ионосфера, а Земля поддерживается грозами, с ударами молний, доставляющими отрицательные заряды из атмосферы на землю.
Карта мира, показывающая частоту ударов молний, количество вспышек на км² в год (равновеликая проекция). Чаще всего удары молнии происходят в Демократической Республике Конго. Объединенные данные 1995–2003 гг. С оптического детектора переходных процессов и данные 1998–2003 гг. С датчика изображения молний. Столкновения между льдом и мягким градом (крупой) внутри кучево-дождевых облаков вызывают разделение положительных и отрицательных заряжает в облаке, что необходимо для генерации молний. Вопрос о том, как изначально образуется молния, до сих пор остается предметом споров: ученые изучили основные причины, начиная от атмосферных возмущений (ветер, влажность и атмосферное давление ) до воздействия солнечного ветра и энергичных частиц..
Средняя молния переносит отрицательный электрический ток 40 кА (кА) (хотя некоторые болты могут выдерживать до 120 кА) и переносит заряд в пять кулонов. и энергии 500 МДж, или энергии, достаточной для питания 100-ваттной лампочки чуть менее двух месяцев. Напряжение зависит от длины болта, причем диэлектрический пробой воздуха составляет три миллиона вольт на метр, а длина молний часто составляет 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. ток хода 100 кА.
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 × 10 джоулей ), что эквивалентно 20-килотонной ядерной боеголовке. Сильная и сильная гроза может быть в 10-100 раз сильнее.
Последовательность молний (Продолжительность: 0,32 секунды) 
Изображение атмосферного электричества в марсианской пыльной буре, которое было предложено в качестве возможного объяснения загадочных химических результатов на Марсе (см. Также Биологические эксперименты на посадочном аппарате Viking )Огонь Святого Эльма - это электрическое явление, при котором светящаяся плазма создается корональным разрядом, исходящим от заземленного объекта. Шаровая молния часто ошибочно идентифицируется как огонь Святого Эльма, тогда как они представляют собой отдельные и отдельные явления. Хотя и упоминается как «огонь», огонь Святого Эльма, по сути, является плазмой, и наблюдается обычно во время грозы на вершинах деревьев, шпилей или других высоких предметов или на головах животных в виде кисти или светящейся звезды.
Корона вызывается электрическим полем вокруг рассматриваемого объекта ионизацией молекул воздуха, производящей слабое свечение, легко видимое при слабом освещении. ht условия. Приблизительно 1000 - 30 000 вольт на сантиметр требуется, чтобы вызвать огонь Святого Эльма; однако это зависит от геометрии 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 находится 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.
Резонансы Шумана 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 естественным образом возбуждается энергией от ударов молнии.
Атмосферные заряды могут вызвать нежелательное, опасное и потенциально смертельное накопление потенциала заряда в подвесных системах распределения электроэнергии с электрическими проводами. 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 распределительной системы так же часто, как на каждой опоре полюс. 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 стало "электрически активным" через электросети и опасны для прикосновения.
Каждый трансформатор в распределительной сети переменного тока сегментирует систему заземления 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 могло бы вызвать повреждение из-за разряда зарядных потенциалов через катушки трансформатора на другую заземленную сторону распределительной сети.
Портал наук о Земле 
Портал геофизики 
Портал погоды .
