Электрические явления в атмосфере
МИНИСТЕРСТВО
ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФГБОУ ВПО
Московский
государственный университет технологий и управления
имени К.Г.
Разумовского
Институт
биотехнологий и рыбного хозяйства
Кафедра
промышленной экологии и охраны труда
Специальность
«Экология и природопользование» 022000.62
КУРСОВАЯ
РАБОТА
тема
Электрические
явления в атмосфере
Выполнил:
Политов М.О.
Студент 2
курса
Научный
руководитель: К.т.н., доцент
Романенко
Александр Иванович
Москва, 2012
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ:
ВВЕДЕНИЕ
1. ФИЗИКА
АТМОСФЕРНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА
.1
Электрический пробой воздуха
.2
Заряды и электростатическое поле в атмосфере
.3
Вертикальные движения воздуха
.4
Генерация и разделение зарядов в конвективном облаке
.5
Классификация механизмов генерации и перераспределения электрического заряда в
конвективном облаке
Вывод
. ГРОЗА
И ЧЕЛОВЕК
.1
Молния и гром как неотъемлемые части грозы
.2
Виды молний
.2.1
Молнии в верхних слоях атмосферы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК
ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ
ПРИЛОЖЕНИЯ
ВВЕДЕНИЕ
Прежде чем вдаваться в разъяснение такого
понятия, как «Электрические явления в атмосфере», следует дать определения
каждому из его составляющих.
В толковом словаре термину атмосфера дается
следующее определение: «Атмосфера - это газовая оболочка, окружающая небесное
тело. Ее характеристики зависят от размера, массы, температуры, скорости
вращения и химического состава данного небесного тела, а также определяются
историей его формирования, начиная с момента зарождения. Атмосфера Земли
образована смесью газов, называемой воздухом. Ее основные составляющие - азот и
кислород в соотношении приблизительно 4:1".
Электрические явления в толковых словарях
трактуются следующим образом: «Электричество в атмосфере, или, более научно -
Атмосферное электричество - это совокупность электрических явлений в атмосфере,
а также раздел физики атмосферы, изучающий эти явления. При исследовании
атмосферного электричества изучают электрическое поле в атмосфере, её ионизацию
и проводимость, электрические токи в ней, объёмные заряды, заряды облаков и
осадков, грозовые разряды и многое другое. Все проявления атмосферного
электричества тесно связаны между собой и на их развитие сильно влияют
локальные метеорологические факторы. К области атмосферного электричества
обычно относят процессы, происходящие в тропосфере и стратосфере».
Начало изучению атмосферного электричества было
положено в XVIII веке американским учёным Бенджамином Франклином,
экспериментально установившим электрическую природу молнии, русским учёным
Михаилом Ломоносовым - автором первой гипотезы, объясняющей электризацию
грозовых облаков, и французским физиком Гастоном Планте, исследования которого
направили человечество к разъяснению естественных атмосферных явлений
электричества; на опытах он получал и исследовал шаровую и другие формы молнии,
наблюдал подобие северного сияния, получал искусственные смерчи и циклоны,
воспроизводил образование града и т.п.
Так, 18 августа 1876 г. он записал: «Самая
замечательная молния была та, которая, описав кривую линию, стремительно
ударилась из-за туч в землю; она была видна в течение несколько секунд и имела
вид чёток с блестящими шариками», Рис. 1.
Рис. 1. Чёточная молния, наблюдавшаяся в Париже
в 1876 г.
В XX веке были открыты проводящие слои
атмосферы, лежащие на высоте более 60-100 км (ионосфера, магнитосфера Земли),
установлена электрическая природа полярных сияний и обнаружен ряд других
явлений. Развитие космонавтики позволило начать изучение электрических явлений
в более высоких слоях атмосферы прямыми методами.
Две основные современные теории атмосферного
электричества были созданы английским учёным Ч. Вильсоном и советским учёным
Я.И. Френкелем. Согласно теории Вильсона, Земля и ионосфера играют роль
обкладок конденсатора, заряжаемого грозовыми облаками. Возникающая между
обкладками разность потенциалов приводит к появлению электрического поля
атмосферы. По теории Френкеля, электрическое поле атмосферы объясняется всецело
электрическими явлениями, происходящими в тропосфере, - поляризацией облаков и
их взаимодействием с Землёй, а ионосфера не играет существенной роли в
протекании атмосферных электрических процессов.
1. ФИЗИКА АТМОСФЕРНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА
Исследования атмосферного электричества
позволяют выяснить природу процессов, ведущих к колоссальной электризации
грозовых облаков, в целях прогноза и управления ими; выяснить роль
электрических сил в образовании облаков и осадков; они дадут возможность
снижения электризации самолётов и увеличения безопасности полётов, а также
раскрытия тайны образования шаровой молнии, интерес к которой не только не
исчез за последний полтора столетия, но даже многократно возрос.
.1 Электрический пробой воздуха
Начнем изложение, как ни странно, с конца.
Допустим, в атмосфере в силу каких-то причин, о которых поговорим позже,
сформировалось достаточно мощное кучево-дождевое облако. В самом облаке, между
ним и Землей, а также между ним и другими облаками непрерывно увеличивается
электрическое поле (откуда оно берется, тоже потом обсудим). Зададимся
вопросом: доколе оно будет расти?
Бесконечно? Ни в коем случае.
Воздух, как и любое другое вещество, состоит из
электрических зарядов.
В один прекрасный момент напряженность
электрического поля в какой-то области пространства достигает некоторого
критического значения. Это значение не постоянно, зависит от многих факторов (в
том числе и от состава воздуха) и, по данным натурных исследований, варьируется
в пределах 105-106 В/м. С этого момента в данной области начинают происходить
весьма интересные процессы.
В воздухе всегда присутствуют в небольшом
количестве свободные электроны. Под действием электрического поля они начинают
разгоняться, приобретают значительные скорости и, сталкиваясь с атомами
воздуха, ионизируют их, вышибая оттуда новые электроны. Те, в свою очередь,
также становятся свободными, разгоняются и выбивают электроны из других атомов.
Процесс становится лавинообразным. Область пространства, охваченная этим
процессом, увеличивается в длину с огромной скоростью (порядка 100 км/с) и за
доли секунды достигает того места, в которое собирается ударить будущая молния.
В большинстве случаев, это - Земля, но часто бывает другое облако или даже
другая часть одного и того же облака.
В результате в воздухе образуется проводящий
канал, который называется лидер. Это - еще не молния. Это - только, так
сказать, вступление к ней. Что мы в итоге имеем? Огромное электрическое поле
(образно говоря, батарейка) и проводящий канал (образно говоря, кусочек
проволоки). Что мы получим в результате? Правильно. Электрический ток.
Как и любой уважающий себя проводник, заряженный
воздух, из которого состоит лидер, при прохождении электрического тока
разогревается. Сила тока весьма достопочтенная (порядка 104-105 Ампер). Поэтому
нагрев происходит тоже существенный (порядка 103-104 K). Проводящий канал,
нагреваясь, начинает ярко светиться. Таким образом, очевидец наблюдает молнию.
Молния обычно имеет форму разветвленной ломаной
или кривой линии. Это является следствием того, что лидер распространяется не
по прямой и не сразу. Лавинообразный процесс ионизации периодически затухает и
возобновляется вновь. При этом направление распространения лидера изменяется,
часто происходит ветвление. Он как бы «выбирает», где присутствует наибольшее
количество свободных зарядов, и распространяется именно туда - по пути наименьшего
сопротивления. В дальнейшем всю эту траекторию с большой точностью повторяет
молния. Все эти архисложные процессы занимают ничтожные доли секунды.
Нагрев при вспышке происходит очень быстро
(длительность всего молниевого разряда обычно составляет порядка 101-100 с). А
нагретый воздух, по законам физики, имеет свойство расширяться. Необычайно
быстрое расширение воздуха представляет собой взрыв, что сопровождается
звуковыми эффектами. Эти звуки хорошо известны каждому и в быту получили
название гром. При охлаждении воздуха по окончании разряда наблюдается столь же
быстрое и громкое сжатие. Звук, распространяясь в окружающем пространстве,
многократно отражается от Земли, облаков, местных предметов и др. Поэтому
наблюдатель обычно слышит раскаты грома, представляющие собой многократное,
пришедшее с разных сторон эхо.
Образование лидера и следующий за ним молниевый
разряд, обычно, повторяются многократно. Это тоже сказывается как на световых
эффектах (мерцающая молния), так и на звуковых (неравномерный звук грома).
После разряда происходит полная или частичная
нейтрализация электрических зарядов (о них поговорим ниже) в облаке и его
окрестностях (в том числе, на Земле). Напряженность электрического поля
скачкообразно уменьшается. Обычно, к этому времени облако еще живет полной
жизнью, генерация зарядов и усиление электрического поля возобновляются, и
через некоторое время молниевый разряд повторяется вновь. Количество и частота
разрядов зависят от конкретной ситуации и варьируются на порядки: от десятков
молний в секунду до одной-двух за всю грозу.
.2 Заряды и электростатическое поле в атмосфере
Теперь поговорим о том, как появляется
электрическое поле, приводящее к молниевому разряду.
Что есть поле? Как гласит классическое
определение, это - особый вид материи, отличный от вещества. В глубинную
сущность понятий поля и вещества мы вдаваться не будем, эти вопросы
рассматриваются далеко за рамками классической физики. Упомянем лишь, что поле
создается каждым электрическим зарядом и действует на другие заряды с некоторой
силой.
Формулы мы для простоты опустим.
Электрическое поле характеризуется
напряженностью, измеряемой в Вольтах на метр или, что то же самое, в Кулонах на
квадратный метр. Напряженность электрического поля численно равна силе, с
которой заряд(-ы), создающий(-е) поле, действует(-ют) на единичный заряд.
Данная величина является векторной, имеет не только величину, но и направление.
Заряды разных знаков, при прочих равных условиях, генерируют противоположно
направленные поля. Причем, поля, создаваемые разными зарядами (любыми),
накладываются друг на друга (по принципу векторной суммы). Это особенно важно.
Теперь вернемся к атмосфере. Временно забудем
про грозу. Давайте посмотрим, какие процессы протекают при хорошей безоблачной
погоде.
Большинство частиц, из которых состоит воздух,
содержит равное число положительных и отрицательных зарядов и потому
электрически нейтрально. Под частицами здесь подразумеваются атомы, молекулы,
кластеры молекул и аэрозольные частицы всех мастей и калибров. Носители
нескомпенсированных электрических зарядов (свободные электроны, положительные и
отрицательные ионы, заряженные аэрозольные частицы), конечно же, тоже
присутствуют в изобилии. Сказывается ионизирующее действие космических лучей и
радиоактивных элементов, содержащихся в земной коре и в самом воздухе. Но эти
носители, будучи заряжены разноименно, хаотически перемешаны между собой. И
электрические поля, создаваемые ими, почти полностью взаимно компенсируют друг
друга. Как лебедь, рак и щука из известной басни.
Напряженность электрического поля в такой
среднестатистической атмосфере при хорошей погоде составляет порядка 101-102
В/м. Это ничтожно. Напряженность не обращается вовсе в ноль по двум причинам.
Во-первых, концентрация отрицательных и положительных зарядов немножко
по-разному меняется с высотой, из-за чего и возникает незначительное их
разделение. Во-вторых, свою лепту вносят заряды, содержащиеся в земной коре.
Для того, чтобы сгенерировать электрические поля
в пространственном масштабе необходимо:
) создать достаточное количество
нескомпенсированных электрических зарядов разных знаков;
) разделить их в пространстве. Вспомним принцип
наложения полей. Если нам удастся разделить разноименные заряды, то
положительные будут направлять поле от себя (такой выбор направления является
условно-общепринятым), а отрицательные, наоборот, к себе, тем самым еще более
его усиливая. (Рис. 2)
Рис. 2
Каким же способом осуществить разделение
зарядов? Давайте рассуждать логически.
Чтобы построить такую зарядовую структуру и
сделать ее относительно устойчивой, необходимо приложить две противоположно
направленные силы. Каждая из них будет ответственна, в основном, за перенос
зарядов одного знака. Обе силы должны существовать стабильно в течение
некоторого промежутка времени (скажем, от нескольких минут до нескольких
часов).
Стало быть, вторую силу, противоположно
направленную, следует искать именно в вертикальной плоскости (рис. 2 как раз и
изображен по вертикали - это уже подсказка). Это - сила, оказываемая на
носители электрических зарядов восходящими воздушными потоками.
.3 Вертикальные движения воздуха
Вертикальная составляющая скорости движения
воздуха так или иначе присутствует всегда. Взаимодействие и перемещение
различных объемов воздуха носит столь сложный характер, что даже интуитивно
понятно: одной лишь горизонтальной плоскости явно недостаточно.
Причины возникновения таких потоков (нас
интересуют, в основном, восходящие) можно разделить на пять основных групп:
. Естественные температурные неоднородности
земной поверхности (неравномерный нагрев Солнцем в дневное время, неравномерное
остывание в темное время суток, источники тепла в земной коре, теплые течения и
источники в водоемах и др.). Объем воздуха, более теплый по сравнению с
окружающей воздушной массой, оказывается более легким и всплывает вверх по
закону Архимеда.
. Вторжение холодного атмосферного фронта в
более теплую воздушную массу. При этом холодный воздух, будучи более плотным,
вытесняет теплый вверх. Отсюда - восходящий поток.
. Сходимость (конвергенция) воздушных потоков
различного масштаба (в частности, глобальных ячеек циркуляции). При
взаимодействии встречных потоков воздух вытесняется вверх.
. Циркуляция воздуха в тропических циклонах.
Механизм формирования и поддержки этой циркуляции пока недостаточно изучен.
. Источники тепла, возникающие в экстремальных
ситуациях как природного (извержения вулканов), так и антропогенного
происхождения (пожары, взрывы, выбросы атомных электростанций и др.). Это -
практически то же, что в п. 1, однако сопровождается целым рядом специфических
особенностей.
Возможны комбинации вышеперечисленных факторов
(наиболее типично сочетание п. 1 и п. 2).
Это - что касается возникновения. Раз возникнув,
вертикальное движение воздуха может развиться, а может, наоборот, ослабеть и
исчезнуть. Факторы, благоприятствующие развитию восходящих потоков, следующие:
А. Резкое падение температуры с высотой. Если
поднимающийся объем воздуха остывает медленнее, чем окружающий воздух, он
оказывается теплее (а, следовательно, легче) последнего и продолжает всплывать
вверх по закону Архимеда.
Б. Значительное содержание водяного пара в
воздухе. При охлаждении во время подъема пар с некоторого момента начинает
конденсироваться (образуется облако). При этом выделяется скрытая теплота
конденсации. В результате поднимающийся объем воздуха дополнительно
нагревается, и упомянутый закон Архимеда начинает работать с умноженной силой.
При замерзании капель или сублимации водяного пара (если образовавшееся облако
пересечет изотерму 0°C) происходит аналогичный эффект.
Фактор, упомянутый в пункте Б, наиболее
значимый. Именно благодаря этому самые мощные восходящие потоки всегда связаны
с конвективными облаками, но не с сухими конвективными потоками.
Оба этих фактора обусловлены текущими
параметрами атмосферы, а именно - распределением температуры и влажности с
высотой. Если закономерности этого распределения благоприятны для развития
восходящих потоков, говорят, что атмосфера конвективно неустойчива. В противном
случае (плавное падение температуры или даже ее увеличение с высотой и (или)
низкая влажность) атмосфера конвективно устойчива. Наибольшая неустойчивость
обычно наблюдается в нижнем, приземном слое атмосферы. С высотой наблюдается
тенденция к увеличению устойчивости. Именно поэтому рост конвективных облаков,
неразрывно связанных с восходящими потоками, всегда в той или иной степени
ограничен по высоте.
Следует отметить, что в некоторых случаях
восходящие потоки (а зачастую, как следствие, и облака) развиваются при любых параметрах
атмосферы. Например, при наступлении холодного фронта. Это обусловлено тем, что
воздух в этом случае постоянно подвергается воздействию внешней силы,
направленной вверх. Для возникновения таких потоков благоприятные местные
условия не обязательны. Однако в любой ситуации строение атмосферы играет
важную роль.
Иначе будет выглядеть картина, если носители
заряда какого-то одного знака как следует утяжелить - так, чтобы земное
притяжение на них действовало гораздо сильнее, чем восходящий поток. Тогда эти
носители будут стремиться вниз, унося с собою заряд одного знака, а заряды
противоположного знака будут вместе с легкими частичками переноситься
восходящими потоками вверх. Вот тогда-то мы и получим картину, схематически
изображенную на рис. 2, и сгенерируем электрическое поле, достаточное для
грозового разряда.
Так вот: в роли упомянутых тяжелых носителей
выступают атмосферные осадки - всем известные дождевые капельки, градины и
снежинки. А осадки образуются исключительно в облаках, в результате укрупнения
облачных капелек и кристалликов.
Таким образом мы имеем: осадкообразующее облако,
содержащее восходящий поток воздуха. Такое облако называется кучево-дождевым и
относится к классу конвективных. В быту оно именуется дилетантским термином
«туча».
1.4 Генерация и разделение зарядов в
конвективном облаке
Зарядовая структура грозового облака обычно
проходит три стадии. Первая стадия - когда облако находится на стадии Cu hum -
Cu med, оно, обычно, целиком заряжено положительно. При этом закон сохранения
заряда никоим образом не нарушается. Заряды противоположного знака оказываются
в окружающей атмосфере. Когда облако дорастает до стадии Cu cong, оно, как
правило, приобретает двухполюсную структуру: вверху накапливается положительный
заряд, внизу - отрицательный. Эта структура сохраняется и тогда, когда облако
переходит в Cb. В дальнейшем, когда начинается интенсивное выпадение осадков, и
близится распад Cb, в нижней части облака обычно формируется небольшая область
положительного заряда. Таким образом, возникает трехполюсная зарядовая
структура, которая считается классической (рис. 3) Вторая стадия. С распадом
облака упорядоченная система зарядов «размывается».
Рис. 3
. Грозы в подавляющем большинстве случаев
наблюдаются в тех облаках, в которых влага присутствует сразу в трех агрегатных
состояниях: пар, вода и лед. В так называемых теплых конвективных облаках,
состоящих только из пара и воды, грозы редки, а по утверждению ряда
специалистов, и вовсе невозможны. Аналогично весьма редки и грозы в чисто
ледяных облаках, не содержащих водяных капель.
. Выпадение града практически всегда
сопровождается грозой. Обратное неверно - грозы бывают без града.
.5 Классификация механизмов генерации и
перераспределения электрического заряда в конвективном облаке
Теперь перечислим основные механизмы генерации
нескомпенсированных электрических зарядов и их перераспределения между
атмосферными ионами, жидкими каплями и ледяными частицами.
. Захват ионов каплями и ледяными частицами. В
воздухе всегда присутствуют ионы обоих знаков, причем, ионообразование
происходит непрерывно. Эти ионы захватываются частицами, составляющими облако.
Сразу скажу, что речь здесь идет, в первую очередь, о каплях. Ионные механизмы
играют существенную роль на ранней стадии эволюции облака, когда оно
приобретает формы от Cu hum до Cu cong. В это время ледяные частицы в нем еще
не успевают образоваться, так как облако полностью располагается ниже области
отрицательных температур.
Заметим важную деталь: капли находятся во
внешнем электрическом поле. Оно пока еще невелико и близко к фоновому (102-103
В/м), но все равно способно искажать электрическую структуру капель, которые,
даже будучи электрически нейтральными, поляризуются (рис. 4). Молекулы воды,
представляющие собой диполи, обращаются положительным полюсом в направлении
поля (вниз) и отрицательным в противоположном направлении.
Рис. 4
Капли, постепенно укрупняясь, перестают
полностью увлекаться восходящим потоком и приобретают собственную скорость,
направленную вниз. Для мелких облачных капель, характерный диаметр которых не
превышает десятки микрон, эта скорость составляет порядка 102-101 м/сек, для
осадков, которые уже начинают формироваться, она в несколько раз выше. О выпадении
осадков из облака пока речи не идет (это еще не Cb). Ионы представляют собой
частицы гораздо меньшего размера (обычно, это - отдельные молекулы или кластеры
из нескольких молекул), и потому несутся вместе с восходящим потоком навстречу
падающим каплям.
Нижняя часть капель заряжена положительно,
поэтому она охотнее захватывает из встречного потока отрицательные ионы, чем
положительные. Верхняя же часть, по законам электростатики, стремится
захватывать ионы противоположного знака. Но здесь вступает в силу аэродинамика.
Выхватить ионы из потока, обтекающего падающую каплю вверху, уже гораздо
труднее, чем из встречного потока. В результате возникает асимметрия. Описанное
явление называется селективный захват ионов. Крупные капли заряжаются
отрицательно и постепенно оседают вниз, а оставшийся по закону сохранения
положительный заряд движется с восходящим потоком в вершину облака. Именно так
и образуется двухполюсная структура с положительным зарядом вверху.
Ионные механизмы электризации играют определяющую
роль в формировании зарядовой структуры конвективного облака приблизительно до
стадии Cu cong.
Процессы захвата ионов каплями четко описаны
математически (что, к сожалению, нельзя сказать о других механизмах - см.
ниже). Таким образом, ранняя стадия электризации конвективного облака
достаточно хорошо изучена. электродинамический
конвективный атмосфера молния
По мнению ряда авторов, эти же механизмы играют
роль не только на ранних стадиях, но и на протяжении всей эволюции облака.
Запас ионов в воздухе, который быстро исчерпывается, пополняется в результате
локальных коронных разрядов, возникающих вблизи поверхности капель и кристаллов
при полях порядка 103-104 В/м. Однако эта гипотеза не проверена.
. Суммирование зарядов капель и (или) ледяных
частиц при их слиянии. Этот механизм довольно прост. Все частицы,
присутствующие в облаке, движутся с разными скоростями и сталкиваются друг с
другом. При столкновении может произойти упругий отскок (об этом поговорим
отдельно), перераспределение влаги между сталкивающимися частицами или, чаще
всего, полное их слияние (коагуляция). Поскольку электрический заряд - величина
аддитивная, то образующаяся при коагуляции частица приобретает заряд, равный
сумме зарядов слившихся частиц (со своим знаком!). Таким образом, если эти
заряды окажутся разноименными, они нейтрализуются, и коагуляция будет
сдерживать разделение зарядов и рост электрического поля.
Данный механизм играет наибольшую роль при
столкновении переохлажденной капли и ледяной частицы в области низких
температур. Их слияние наиболее вероятно и почти неизбежно сопровождается
замерзанием капли. Наименее эффективно коагуляция происходит при столкновении
двух ледяных частиц - в этом случае, как правило, происходит упругий отскок.
Коагуляционный механизм тоже достаточно четко
описывается математически, если известны функции распределения частиц,
присутствующих в заданном объеме, по размерам и по электрическим зарядам.
Скорость перемещения разных частиц, от которой зависит вероятность
столкновения, с достаточно большой точностью вычисляется на основании их
размера и свойств окружающего воздуха. Однако здесь есть две крупных проблемы:
) вычисление вероятности столкновения частиц,
движущихся друг на друга (они могут и разойтись - здесь нужно учитывать
аэродинамику)
) определение вероятности слияния столкнувшихся
частиц (они могут и разлететься). В этом направлении предстоит большой объем
новых исследований.
. Обмен зарядом при столкновении капель (ледяных
частиц). Теперь поговорим о случаях, когда сталкивающиеся частицы не сливаются,
а либо упруго отскакивают друг от друга, либо частично обмениваются водой
(льдом) при столкновении, прежде чем разлететься.
Здесь уже картина гораздо более сложная.
Количество и знак заряда, перераспределяемого между сталкивающимися частицами,
зависит от огромного количества факторов (исходные заряды частиц, величина и
направление внешнего электрического поля, которое их поляризует, температура
частиц и окружающего воздуха, форма и размеры частиц, их фазовый состав,
наличие примесей других веществ, кроме воды и др.). Причем, попытки вывести
какие-то аналитические зависимости оказываются успешными, в лучшем случае, для
каких-то узких диапазонов условий.
Наиболее четко описано разделение зарядов между
двумя сталкивающимися каплями воды. Их форма близка к сферической, что
несколько упрощает дело, хотя формулы изобилуют эмпирическими коэффициентами.
Этот процесс начинает играть существенную роль в электризации приблизительно на
стадии Cu cong (тоже способствуя формированию двухполюсной структуры), а в дальнейшем
работает и на стадии Cb, вплоть до распада облака.
Экспериментально показано, что при столкновении
мелкой облачной и крупной дождевой капли первая отскакивает от нижней части
последней и уносит часть ее заряда (а он, как явствует из рис. 4, на стадии Cu
cong, как правило, положительный; это определяется направлением поля). Таким
образом, легкие капельки, гонимые восходящим потоком, получая положительный
заряд, уносят его вверх. Дождевые же капли с отрицательным зарядом под
действием силы тяжести стремятся вниз. Величина заряда, разделяемого при таком
процессе, по оценкам ряда авторов, достаточно высока, чтобы повысить значение
напряженности электрического поля до пробойного.
Именно этот механизм, по мнению ряда авторов
(которое разделяет и Ваш покорный слуга), объясняет еще и возникновение
положительного заряда в нижней части облака (уже на стадии Cb). Ведь именно
там, как показывают исследования, вертикальная составляющая электрического поля
меняет знак! Это связано с тем, что отрицательный заряд, скапливающийся между
низом и центром облака (рис. 3), постепенно направляет поле к себе (т.е.,
вверх, если смотреть снизу). В этой зоне знак заряда, разделяемого при
столкновении капель, сразу меняется на противоположный. Легкие капли заряжаются
уже отрицательно и поднимаются в среднюю часть облака, усиливая и без того
отрицательный заряд. А положительно заряженные осадки как раз и образуют нижний
«плюс», довершая формирование классического трехполюсника.
Аналогичные процессы происходят и при
столкновении ледяных частиц между собой. Но здесь еще рано говорить о
каких-либо общих закономерностях, хотя исследований проведено более чем
достаточно. Одна только систематизация их результатов уже потянула бы на
докторскую диссертацию. Но, по всей видимости, решающей роли эти механизмы не
играют, так как в полностью ледяных облаках, не содержащих жидкой влаги,
грозовые разряды происходят редко. Это подтверждается наблюдениями за зимними
грозами, при которых, в большинстве случаев, облако частично попадает в область
положительных температур.
Тем не менее, без систематизированных знаний о
процессах, связанных с ледяной фазой, картина эволюции гроз явно остается
неполной.
Вывод:
Итак, на основании выше изложенного можно
сделать следующие основные выводы:
. Причиной молниевого разряда является
возникновение сильного электрического поля, которое, по достижении некоторого
критического значения, вызывает лавинообразный процесс ионизации молекул
воздуха и образование проводящего канала. Через этот проводящий канал протекает
электрический ток, вызывающий нагрев и, как следствие, свечение (молния) и
взрывообразные звуковые эффекты (гром).
. Сильные электрические поля возникают в
результате разделения разноименных электрических зарядов в пространстве.
. Системой, обеспечивающей разделение зарядов,
являются осадкообразующие конвективные облака, в которых присутствую восходящие
воздушные потоки и тяжелые взвешенные частицы (осадки). Осадки преимущественно
заряжаются отрицательно и, оседая, переносят отрицательный заряд вниз, а легкие
(атмосферные ионы, облачные капли и кристаллы) заряжаются положительно и вместе
со своим зарядом переносятся восходящими потоками вверх. В дальнейшем в нижней
части облака разделение заряда меняет знак, и образуется небольшая область
положительного заряда внизу. Таким образом, в облаке формируется трехполюсная
зарядовая структура «плюс-минус-плюс».
. Роль каждого механизма в образовании грозы
определяется конкретной ситуацией.
2. ГРОЗА И ЧЕЛОВЕК
2.1 Молния
и гром как неотъемлемые части грозы
Исходя из выше подробно описанной физической
подоплеки электричества в атмосфере, можно смело сказать, что молния -
природный разряд больших скоплений электрического заряда (электронов) в нижних
слоях атмосферы, своеобразный искровой разряд статического электричества,
аккумулированного в грозовых облаках. Энергия искрового разряда - молнии и
возникающие при этом токи очень велики и представляют большую опасность для
человека, животных, строений. Молния сопровождается звуковым импульсом -
громом. Сочетание молнии и грома называют грозой.
Гроза - это исключительно красивое природное
явление. Как правило, после грозы улучшается погода, воздух становится
прозрачен, свеж и чист, насыщен ионами, образующимися при разрядах молнии.
Несмотря на это нужно помнить, что гроза в определенных
условиях может представлять большую опасность для человека. Каждый человек
должен знать природу грозового явления, правила поведения во время грозы и
методы защиты от молнии.
Грозы можно разделить на местные, фронтальные,
ночные, в горах. Наиболее часто человек сталкивается с местными или тепловыми
грозами. Эти грозы возникают только в жаркое время при большой влажности
атмосферного воздуха. Как правило, возникают летом в полуденное или
послеполуденное время (12-16 часов). Водяной пар в восходящем потоке теплого
воздуха на высоте конденсируется, при этом выделяется много тепла и восходящие
потоки воздуха подогреваются. По сравнению с окружающим восходящий воздух
теплее, он увеличивается в объеме, пока не превратится в грозовое облако. В
больших по размеру грозовых облаках постоянно витают кристаллики льда и
капельки воды. В результате их дробления и трения между собой и о воздух
образуются положительные и отрицательные заряды, под действием которых
возникает сильное электростатическое поле (напряженность электростатического
поля может достигать 100 000 в/м). И разница потенциалов между отдельными
частями облака, облаками или облаком и землей достигает громадных величин. При
достижении критической напряженности электрического воздуха возникает лавинообразная
ионизация воздуха - искровой разряд молнии.
Фронтальная гроза возникает, когда массы
холодного воздуха проникают в район, где преобладает теплая погода. Холодный
воздух вытесняет теплый, при этом последний поднимается на высоту 5-7 км.
Теплые слои воздуха вторгаются внутрь вихрей различной направленности,
образуется шквал, сильное трение между слоями воздуха, что способствует
накоплению электрических зарядов. Длина фронтальной грозы может достигать 100
км. В отличие от местных гроз после фронтальных обычно холодает.
Ночная гроза связана с охлаждением земли ночью и
образованием вихревых токов восходящего воздуха. Гроза в горах объясняется
разницей в солнечной радиации, которой подвергаются южные и северные склоны
гор. Ночные и горные грозы несильные и непродолжительные.
Грозовая активность различна по районам нашей
планеты. Мировые очаги гроз: остров Ява - 220, экваториальная Африка - 150,
южная Мексика - 142, панама - 132, центральная Бразилия - 106 грозовых дней в
году. Россия: Мурманск - 5, Архангельск - 10, с-Петербург - 15, Москва - 20
грозовых дней в году (см. рис. 5).
Как правило, чем южнее (для северного полушария
земли) и севернее (для южного полушария земли), тем выше грозовая активность.
Грозы в Арктике и Антарктике очень редки. На земле в год происходит 16
миллионов гроз. На каждый квадратный километр поверхности земли приходится 2-3
удара молнии в год.
Рис. 5. Глобальная частота ударов молний
2.2 Виды
молний
По видам молнии делятся на линейные, жемчужные и
шаровые. Жемчужные и шаровые молнии довольно редкое явление.
Распространенная линейная молния, с которой
многократно встречается любой человек, имеет вид разветвляющейся линии.
Величина силы тока в канале линейной молнии составляет в среднем 60-170 кА,
зарегистрирована молния с током 290 кА. Средняя молния несет энергию 250
квт/час (900 мДж). Энергия, в основном, реализуется в виде световой, тепловой и
звуковой энергий.
Перед и во время грозы изредка в темное время на
вершинах высоких заостренных объектов (макушках деревьев, мачтах, вершинах
острых скал в горах, крестах церквей, молниеотводах, иногда в горах у людей на
голове, поднятой руке или у животных) можно наблюдать свечение, получившее
название «огни святого эльма». Это название дано в древности моряками,
наблюдавшими свечение на вершинах мачт парусников. Свечение возникает из-за
того, что на высоких заостренных предметах напряженность электрического поля,
создаваемого статическим электрическим зарядом облака, особенно высока; в
результате начинается ионизация воздуха, возникает тлеющий разряд и появляются
красноватые языки свечения, временами укорачивающиеся и опять удлиняющиеся. Не
следует пытаться тушить эти огни, т.к. горения нет. При высокой напряженности
электрического поля может появиться пучок светящихся нитей - коронный разряд,
который сопровождается шипением. Линейная молния также изредка может возникнуть
и при отсутствии грозовых облаков. Не случайно возникла поговорка - «гром среди
ясного неба».
Шаровая молния также довольно редка. На тысячу
обычных линейных молний приходится 2-3 шаровых. Шаровая молния, как правило,
появляется во время грозы, чаще к ее концу, реже после грозы. Возникает, но
очень редко, при полном отсутствии грозовых явлений. Может иметь форму шара,
эллипсоида, груши, диска и даже цепи соединенных шаров. Цвет молнии - красный,
желтый, оранжево-красный, окружена светящейся пеленой. Иногда молния ослепительно
белая с очень резкими очертаниями. Цвет определяется содержанием различных
веществ в воздухе. Форма и цвет молнии могут меняться во время разряда.
измерить параметры шаровой молнии и смоделировать ее в лабораторных условиях не
удалось. По всей видимости, многие наблюдаемые неопознанные летающие объекты
(НЛО) по своей природе аналогичны или близки шаровой молнии.
Внутриоблачные молнии включают в себя обычно
только лидерные стадии; их длина колеблется от 1 до 150 км. Доля внутриоблачных
молний растет по мере смещения к экватору, меняясь от 0,5 в умеренных широтах
до 0,9 вэкваториальной полосе. Прохождение молнии сопровождается изменениями
электрических и магнитных полей и радиоизлучением, так называемыми
атмосфериками.
Вероятность поражения молнией наземного объекта
растет по мере увеличения его высоты и с увеличением электропроводности почвы
на поверхности или на некоторой глубине (на этих факторах основано действие
громоотвода). Если в облаке существует электрическое поле, достаточное для
поддержания разряда, но недостаточное для его возникновения, роль инициатора
молнии может выполнить длинный металлический трос или самолёт - особенно, если
он сильно электрически заряжен. Таким образом иногда «провоцируются» молнии в
слоисто-дождевых и мощных кучевых облаках.
.2.1 Молнии в верхних слоях атмосферы
В 1989 году был обнаружен особый вид молний -
эльфы, молнии в верхней атмосфере. В 1995 году был открыт другой вид молний в
верхней атмосфере - джеты, еще через несколько лет - спрайты.
Эльфы (англ. Elves; Emissions of Light and Very
Low Frequency Perturbations from Electromagnetic Pulse Sources) представляют
собой огромные, но слабосветящиеся вспышки-конусы диаметром около 400 км,
которые появляются непосредственно из верхней части грозового облака. Высота
эльфов может достигать 100 км, длительность вспышек - до 5 мс (в среднем 3 мс).
Джеты представляют собой трубки-конусы синего
цвета. Высота джетов может достигать 40-70 км (нижняя граница ионосферы), живут
джеты относительно дольше эльфов.
Спрайты трудно различимы, но они появляются
почти в любую грозу на высоте от 55 до 130 километров (высота образования
«обычных» молний - не более 16 километров). Это некое подобие молнии, бьющей из
облака вверх. Впервые это явление было зафиксировано в 1989 году случайно.
Сейчас о физической природе спрайтов известно крайне мало.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В заключение нельзя не сказать несколько слов о
взаимосвязи атмосферного электричества с формированием состава атмосферы и
климата планеты. Первые подтверждения гипотезы Ж. фон Лебега (высказанной еще в
XIX в.) о том, что молнии играют значительную роль в глобальном круговороте
азота, появились в середине 70-х годов XX в. после детальных измерений
содержания оксидов азота NOx. Последние влияют на концентрацию, распределение
озона и гидроксильных радикалов в атмосфере и тем самым - на баланс солнечной
радиации и климат. Один из новых и совершенно не изученных вопросов возможное
влияние спрайтов и джетов на состав средней атмосферы.
Однако учет электродинамических явлений в
моделях климата необходим не только в связи с действием грозовых разрядов как
источника оксидов азота в атмосфере. Не менее важен вопрос о возникновении
грозовых разрядов как источника пожароопасности. В частности, очень большое
значение имеет полярность разрядов облако-земля с точки зрения величины
энерговыделения на стадии непрерывного тока молнии. Наконец, первостепенной
задачей является оценка влияния динамики заряженных аэрозолей на интенсивность
осадков и радиационный баланс атмосферы.
Далеко не все проблемы атмосферного
электричества нашли отражение в моей научной работе. Но даже самый беглый
взгляд на любую статью, имеющее отношение к тематике моей курсовой работы даст
понять, почему в последнее время интерес к электрическим явлениям в атмосфере
резко возрос. Прежде всего, это обусловлено пониманием атмосферного
электричества как важного фактора окружающей среды, тесно взаимосвязанного с
другими составляющими природного комплекса планеты и воздействующего на
жизнедеятельность человека. Наряду с известными эффектами (выведение из строя
систем электронного обеспечения, воздействие на авиацию, пожароопасность) и
совершенствованием методов их контроля, все большее внимание привлекают
проблемы электромагнитного загрязнения и его воздействия на экосистемы и
человека, а также роли глобальной электрической цепи в системе солнечно-земных
связей и климатической системе Земли. Очевидно, что данная область исследований
чрезвычайно насыщена интересной физикой. Можно не сомневаться, что активная
работа здесь не только поможет разобраться со «старыми» загадками атмосферного
электричества, но и принесет множество новых.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ
Основной
1.
Филиппов А.Х., Учение об атмосфере. 1-е изд. Изд-во Сибирский институт права,
экономики и управления, 2006
.
Хромов С.П., Петросянц М.А. Метеорология и климатология. 4-е изд.- М.: Изд-во
Моск. ун-та, 2008.
.
Небел Б., Наука об окружающей среде, Изд-во Москва «МИР», 1993
.
Мареев Е.А., Трахтенгерц. В.И., Загадки атмосферного электричества, Изд-во
«Природа», 2003
5.
Rakov V.A., Uman M.A. Lightning: physics and effects. Cambridge,
2002.
.
Базелян Э.М., Райзер В.П. Физика молнии и молниезащиты. М.,
2001.
.
MacGorman D.R., Rust W.D. The electrical nature of storms. Oxford,
1998.
Дополнительный
1.
Астапенко П.Д. Вопросы о погоде.- Л.: Гидрометеоиздат, 2009.
.
Будыко М.И. Климат в прошлом и будущем.- Л.: Гидрометеоиздат, 2007.
.
Хромов С.П., Мамонтов Л.И. Метеорологический словарь.- Л.: Гидрометеоиздат,
2008.
Электронно-программные средства
1.
Интернет словарь и энциклопедия <#"659393.files/image006.jpg">