О возможной природе атмосферного электричества Земли

Предложена модель электризации атмосферы Земли за счет преимущественного перемещения воздушных масс с за пада на восток поперек силовых линий геомагнитного поля при циклонических процессах . Вследствие этого перемеще ния происходит преобразование кинетической энергии движущейся газообразной электропроводящей воздушной массы , слабоионизованной космическими лучами и радиоактивными веществами , в электрическую энергию , подобно тому , как это происходит в МГД - генераторах .

The model of the Earth’s atmosphere electrization caused by dominating transport of air mass of under cyclonic processes from west to east across geomagnetic field lines is proposed. This transport results in transformation of kinetic energy of moving gaseous electroconductive air mass slightly ionized by cosmic rays and radioactive agents, to electric energy, as this takes place in MHD generators.

Исследования атмосферного электричества , имеющие более чем двухсотлетнюю историю , пока зали , что у земной поверхности существует стацио нарное электрическое поле с напряженностью Е ~ 100 В / м . Земля при этом имеет отрицательный заряд , а атмосфера в целом заряжена положительно . Однако при осадках и особенно грозах , метелях , пылевых бурях и т . п . напряженность поля может резко менять направление и величину , достигая иногда значений ~1000 В / м . Наибольшие значения Е имеет в средних широтах , а к полюсам и экватору убывает . В зонах « хорошей » погоды Е с высотой в целом уменьшается , но в слое толщиной 300–3000 м может с высотой возрастать . Выше этого слоя Е убывает с высотой по экспоненциальному закону и на высоте 10 км не превышает нескольких В / м . На пряженность электрического поля Е меняется во времени . Наряду с локальными суточными и годо выми вариациями Е отмечаются синхронные для всех пунктов суточные и годовые вариации Е – так называемые унитарные вариации [1, 2].

Электрическое состояние атмосферы в значи тельной степени определяется ее электрической проводимостью σ , которая создается ионами , нахо дящимися в атмосфере . Электрическая проводи мость σ зависит от количества ионов , содержащихся в единице объема ( их концентрации ), и их подвиж ности . Основной вклад в σ вносят легкие ионы , об ладающие наибольшей подвижностью .

Электрическая проводимость атмосферы очень мала и у земной поверхности в среднем составляет ~(1÷2)·10^–18 Ом ^–1 м ^–1, увеличиваясь с высотой при мерно по экспоненциальному закону . На высоте около 30 км σ достигает значений , почти в 150 раз больших , чем у земной поверхности . Выше прово димость увеличивается еще более , причем особенно резко с высот , до которых проникают ионизующие излучения Солнца и где начинается образование ионосферы , проводимость которой приблизительно в 10¹² раз больше , чем в атмосфере вблизи земной поверхности .

Основными ионизаторами атмосферы являются космические лучи, действующие во всей толще атмосферы, излучение радиоактивных веществ, нахо- дящихся в Земле и воздухе, и ультрафиолетовое и корпускулярное излучения Солнца, ионизующее действие которых заметно проявляется на высотах более 50–60 км.

Движение ионов под действием сил электриче ского поля создает в атмосфере вертикальный ток со средней плотностью ~(2÷3)·10^–12 А / м ² и величиной на всю поверхность Земли около 1800 А . Время , в течение которого заряд Земли за счет токов прово димости атмосферы уменьшился бы в е раз от сво его первоначального значения , составляет ~500 с . Электрическое поле в среднем не меняется , и , оче видно , следует предположить , что существуют « ге нераторы » атмосферного электричества .

В настоящее время существуют две основные теории атмосферного электричества . Первая из них была предложена английским ученым Ч . Вильсо ном , а вторая – советским ученым Я . И . Френкелем . Согласно теории Вильсона , Земля и ионосфера иг рают роль обкладок конденсатора , заряжаемого гро зовыми облаками . Возникающая между обкладками разность потенциалов приводит к появлению элек трического поля атмосферы . По теории же Френке ля электрическое поле атмосферы объясняется все цело электрическими явлениями , происходящими в тропосфере , – поляризацией облаков и их взаимо действием с Землей , а ионосфера не играет сущест венной роли в протекании атмосферных электриче ских процессов [3, 4].

Согласно данной модели атмосферное электри чество конкретного района зависит от глобальных и локальных факторов . Районы , где отсутствуют ско пления аэрозолей и источники сильной ионизации , рассматриваются как зоны , в которых преобладают глобальные факторы . В зонах же облаков и осадков , гроз , пыльных бурь , метелей , вулканов и т . д . пре обладают локальные факторы . Именно эти зоны и являются генераторами атмосферного электричест ва , причем наибольший вклад в электризацию атмо сферы вносят облака и осадки .

По мере укрупнения частиц облака, увеличения его толщины, усиления осадков из него растет его электризация. Облака могут быть заряжены положительно в верхней части и отрицательно в нижней, но могут иметь и противоположную полярность, а также преимущественный заряд одного знака.

Следует отметить , что ни одна из существующих моделей не позволяет объяснить в полной мере все перечисленные характерные особенности атмосфер ного электричества .

По этой причине в данной работе предлагается мо дель электризации атмосферы за счет перемещения газообразной электропроводящей среды ( воздуха ) вследствие существующих ветровых режимов атмо сферы поперек силовых линий геомагнитного поля .

Атмосферные движения в силу своей многомас - штабности имеют очень сложную структуру . Само понятие « общая циркуляция атмосферы » много гранно . Однако важнейшей и неотъемлемой особен ностью общей циркуляции атмосферы является ее синоптическая составляющая - в частности , воз никновение , развитие и перемещение в атмосфере крупномасштабных вихрей ( циклонов и антицикло нов ) [5].

Циклоны представляют собой огромные вихри диаметром до нескольких тысяч километров , обра зующиеся в умеренных и полярных широтах обоих полушарий преимущественно на полярных и аркти ческих ( антарктических ) атмосферных фронтах . Ци клоны характеризуются системой ветров , дующих против часовой стрелки в Северном полушарии и по часовой стрелке в Южном полушарии , с отклонени ем к центру циклона в нижних слоях атмосферы . Циклоны перемещаются преимущественно вдоль фронтов с запада на восток со скоростью 30–50 км / ч . Циклоны постоянно и естественным образом появляются из - за вращения Земли , благодаря силе Кориолиса , в связи с чем ниже 8–10° северной и южной широты они возникают очень редко , а в не посредственной близости от экватора не возникают вовсе . Антициклоны характеризуются системой вет ров , дующих по часовой стрелке в Северном полу шарии и против часовой стрелки в Южном . Чаще всего они также перемещаются с запада на восток со скоростью 30–40 км / ч . Атмосферное давление в антициклонах распределяется так , что в центре вихря оно является максимальным . И циклоны , и антици клоны характерны для умеренных и полярных широт [6].

Таким образом , из - за циклонических процессов происходит преимущественное перемещение воз душных масс с запада на восток поперек силовых линий геомагнитного поля , вследствие чего должно происходить преобразование механической энергии движущейся электропроводящей среды в электриче скую энергию , подобно тому , как это происходит в МГД - генераторах . Как известно , принцип работы МГД - генератора основан именно на явлении элек тромагнитной индукции , т . е . на возникновении тока в проводнике , пересекающем силовые линии маг нитного поля . Проводником в МГД - генераторе яв ляется само рабочее тело , и при его движении попе рек магнитного поля возникает противоток носите лей зарядов противоположных знаков .

Для того чтобы оценить величину электрического поля, возникающего в атмосфере между верхними ее слоями и Землей под действием предлагаемо- го механизма, пренебрежем наклоном оси магнитного диполя относительно оси вращения Земли и будем учитывать только горизонтальную составляющую геомагнитного поля, которая зависит от широты λ следующим образом:

B=B0cos λ, где B0 ≈0.31 Гс – величина магнитной индукции на экваторе [7]. Принимая во внимание то обстоятельство, что циклоническая деятельность наиболее ярко выражена на средних широтах, аппроксимируем зависимость скорости ветра от широты выражением

V=2V0sin λcos λ, где V0 – скорость перемещения воздушных масс с запада на восток на широте 45°. Подставляя эти значения в выражение, определяющее напряженность электрического поля, и принимая во внимание, что магнитная проницаемость воздуха равна единице, получим:

E= –VH= – 2 V 0 ^{B 0} cos² λ sin λ ,                (1)

µ ₀

где Н – напряженность геомагнитного поля , µ₀ = 4 π 10^–7 Гн / м – магнитная проницаемость вакуума .

Усреднив выражение (1) по широте λ , получим среднее значение напряженности электрического поля :

E = –⁴₃ V 0 B 0 /( π µ 0 )= – V 0 0.31·10^–4 Тл /

/(3·3.14²·10^–7 Гн / м )= –10.48 V 0 .              (2)

При характерных скоростях V 0 ~ 30–50 км / ч (~8– 14 м / с ) напряженность усредненного электрическо го поля составляет ~85–150 В / м , что соответствует наблюдаемым значениям . Совершенно естествен ным образом , согласно (1), объясняются и макси мальные значения электрического поля на средних широтах .

Для оценки экстремальных значений электриче ского поля при максимально возможных скоростях ветра U в циклонических вихрях воспользуемся уравнением (1) в виде :

E= –UH= – 0.31·10^–4 Тл /(4·3.14·10^–7 Гн / м ),

U cos λ = –24.68 U cos λ .                  (3)

При скорости U ~50 м / с ( ~ 180 км / ч ) и λ ~30° на пряженность электрического поля составит чуть более 1000 В / м , что также соответствует наблюдае мым значениям . Следует отметить , что ориентация электрического поля в циклоне будет зависеть от направления скорости ветра . В частности , в Север ном полушарии в южной части циклона , где ско рость направлена с запада на восток , вектор элек трического поля будет направлен к Земле , а в север ной его части , где скорость имеет противоположное направление , поле будет иметь обратный знак . На пряженность электрического поля , направленного к Земле , будет всегда больше напряженности поля противоположной полярности по двум причинам : во - первых , на низких широтах напряженность гео магнитного поля больше и , во - вторых , скорость в южной части циклона больше , чем в северной , из - за наличия постоянной составляющей скорости V с запада на восток . Если центр циклона расположен

О возможной природе атмосферного электричества Земли на широте λ и скорость в южной его части, на широте λ–Δλ, равна U+V, то в северной части, на широте λ+Δλ, скорость будет равна V–U. Примем λ=30°, Δλ=5°, U=40 м/с, V=10 м/с. Тогда напряженность электрического поля в южной части циклона будет Е≈ –1118 В/м, а в северной части - Е≈606 В/м, т. е. в среднем по циклону электрическое поле будет направлено к Земле. Таким образом, можно утверждать, что генераторами атмосферного электрического поля являются циклонические вихри, перемещающиеся поперек геомагнитного поля. Под действием этих генераторов на земной поверхности накапливаются отрицательные заряды, а в верхних слоях атмосферы – положительные. Вследствие высокой проводимости и земной поверхности, и верхних слоев атмосферы происходит растекание зарядов по всей поверхности данных обкладок, и между ними возникает глобальное электрическое поле и, соответственно (за счет тока проводимости σE), глобальная электрическая цепь.

Таким образом, предлагаемая модель позволяет количественно объяснить наиболее характерные особенности атмосферного электричества, но требует более детального рассмотрения для описания пространственного распределения электрических полей земной атмосферы и их динамики во времени. Такое рассмотрение следует проводить с учетом электрических токов проводимости, всех компонент реального геомагнитного поля и реальных ветровых режимов атмосферы. В данном случае напряженность электрического поля и его временные вариации в значительной степени будут зависеть как от мощности генераторов атмосферного электрического поля, так и от значений параметров глобальной электрической цепи, в частности от проводимости атмосферы. Мощность генераторов атмосферного электричества, согласно (1), зависит от скорости перемещения воздушных масс, напряженности геомагнитного поля и географической широты, поэтому можно сделать вывод о том, что определяющим фактором в генерации атмосферного электричества являются метеорологические явления (циклонические процессы), так как вариации напряженности геомагнитного поля незначительны. Напряженность же глобального электрического поля, его локальные вариации и свойства глобальной электрической цепи будут зависеть не только от мощности генераторов и их локализации в пространстве, но и от проводимости атмосферы, т. е. от интенсивности космических лучей, загрязненности атмосферы радиоактивной пылью, вулканической составляющей и многих других причин, в том числе и антропогенных.