Российская Академия Правосудия. ФНО
Факультет Земельно-имущественных отношений
Доклад по естествознанию
Тема «Майкл Фарадей. Биография»
Руководитель: Костюк Светлана Ивановна
Выполнила студентка 1 курса
Группы 11з
Виненко Дарья
30.10.2011
Электричество в атмосфере
Электрическое поле атмосферы
В обычный день над пустынной равниной или над морем электрический потенциал по мере подъёма возрастает с каждым метром на100 В, т.е. в воздухе имеется вертикально электрическое поле Е= 100 В/ м. Земная поверхность заряжена отрицательно. Это не означает, что между ногами головой человека разность потенциалов более 100 В: тело– довольно хороший проводник. Человек, стоящий на земле, образует с ней эквипотенциальную поверхность, так как заряды с земли переходят на его голову. Поле вблизи земли, обычно параллельно ей(Рис.1,а), искажается и выглядит так, как показано на рис.1,б.
Рис.1. Распределение потенциала.
Электрическое поле медленно ослабевает с высотой. На высоте 50 км оно уже еле заметно. Вся разность потенциалов между поверхностью земли и верхом атмосферы равна почти 400 тысяч вольт. В этом поле к земле всё время течёт слабый электрический ток: через каждый квадратный метр параллельной земле поверхности проходит около 10-6
мкА. Значит, атмосфера обладает проводимостью, которая создаётся ионами. Каково их происхождение?
[1]Воздух ионизируется космическими лучами– заряженными частицами высоких энергий. Они испускаются Солнцем и представляют собой ядра атомов, в основном протоны, и электроны. Это–первичные космические лучи. Они находятся за пределами земной атмосферы. Энергия их огромна: на каждую частицу в среднем приходится 108… 1013 эВ(для сравнения– средняя тепловая энергия молекул газа при комнатной температуре кТ имеет величину порядка10-2 эВ). Врываясь в атмосферу Земли, первичные лучи сталкивают с атомами азота и кислорода воздуха, отдают им свою
энергию, срывая с них электронные оболочки. Возникают электронно-ядерные ливни, ядра расщепляются до отдельных нуклонов. Это– вторичные космические лучи. Образуются широкие атмосферные ливни. Поперечные размеры ливня более 1 км2; при энергиях первичных частиц свыше1013э В ливень может содержать многие миллионы частиц, в основном электроны и позитроны.
Космические лучи постоянно снабжают воздух ионами(«малые ионы»), которые окружаются
Другими ионами, образуя заряженные «комочки», медленно движущиеся в электрическом поле Земли- так создаётся ток. Ионы могут образовываться и не только из молекул. Заряжаются частички
пыли, попадающие в воздух с земли. Их называют «ядрами». Мелкие брызги морской воды испаряются, оставляя кристаллики NaCl. И они могут заряжаться, образуя «большие ионы». Малые ионы проносятсяввоздухесоскоростью1 см/свполе100 В/м. Большие ионы и ядра движутся гораздо медленнее.
Проводимость воздуха изменчива. Она очень чувствует его засорённость. С высотой она увеличивается по двум причинам: во-первых, с высотой растёт ионизация воздуха космическими лучами;
во-вторых, уменьшается плотность воздуха, увеличивается длина свободного пробега ионов в поле. Весь электрический ток, достигающий земной поверхности, равен примерно1800 А. Он переносит к Земле положительные заряды. Мощность этого тока(т.е. энергия, переносимая за секунду) составляет при напряжении 400 кВ огромную величину– 700 миллионов ватт(700 мегаватт). При таком токе отрицательный заряд земной поверхности должен бы очень быстро компенсироваться. По-
надобилось бы около получаса, чтобы разрядить всю Землю. Однако этого не происходит. Почему?
И ещё вопрос– поверхность Земли заряжена отрицательно, а что заряжено положительно? Между чем создаётся напряжение 400 кВ?
На высоте около50 км над землёй проводимость воздуха так велика, что там существует практически проводящая сфера, из которой вытекают вниз токи(это ещё не ионосфера- верхняя часть атмосферы, сильноионизованная под влиянием ультрафиолетового, рентгеновского и корпускулярного излучения Солнца[2]).Ток атмосферы меняется в течение суток примерно на ± 15 % и достигает
Максимального значения в 19.00 часов по лондонскому времени одновременно на всей Земле. Минимальное его значение– в 4.00 часа потому же времени и тоже везде. Любые изменения потенциала и должны быть всемирными, если Земля окружена проводящей сферой. Отрицательный заряд земной поверхности поддерживается молниями. Они заряжают Землю током в1800 А электричества(ток– это заряд, протекающий в единицу времени), которое затем разряжается в районах с хорошей погодой. На Земле каждые сутки гремит около 300 гроз. Оценка того, сколько молний ежесекундно бьёт в Землю, показала, что максимум грозовой деятельности приходится на 19.00 часов по лондонскому времени. Что же такое гроза?
Гроза
В атмосфере Земли при подходящих условиях постоянно образуются грозовые ячейки – область
атмосферы, в которой происходят все основные грозовые процессы. Обычно возникает несколько ячеек одна возле другой, и в каждой из них происходит одно и тоже. На рис.2 очень упрощённо по-
казана ячейка в начале грозы.
Приопределённыхусловияхвнекоторойобластиатмосферывозникаетвосходящийпотоквозду-
ха, убыстряющийся по мере подъёма. Тёплый и влажный воздух снизу поднимается, остывает и конденсирует влагу. На рисунке крестиками обозначен снег, а точками– дождь. Восходящий поток довольно велик, а капельки очень малы, поэтому ни снег, ни дождь не выпадают. По мере того, как тёплый воздух поднимается вверх, в ячейку прибывает воздух со всех сторон. Он прохладнее: Солнце нагревает почву, а водяной пар в верхних слоях атмосферы излучает тепло
вверх, поэтому с высотой температура воздуха уменьшается. Значит, поднимается не только тот воздух, который был внизу, но и какое-то количество воздуха с разных сторон.
Теперь уже грозовая ячейка(туча) выглядит иначе- рис.3. Это– зрелая ячейка. В ней действует
Очень сильная тяга вверх, достигающаянаэтойстадиивысотв10…15 км, а иногда и выше.
Грозовой купол с происходящей в ней конденсацией громоздится над всей облачной грядой с быстротой, достигающей обычно 60 км/час.
По мере того, как водяной пар поднимается и конденсируется, возникают маленькие капельки, которые быстро охлаждаются до температуры ниже нуля по Цельсию. Они переохлаждаются. Обычно вокруг есть центры кристаллизации– наподобие кристалликов NaCl или пылинок. Капельки превращаются в кристаллы льда. Начинается быстрое образование и накопление крупных частиц льда. Когда они становятся достаточно тяжёлыми, они начинают падать сквозь восходящий воздух. Падая, они увлекают немного воздуха. Начинается противоток воздуха- вниз. Если он начался, он
Уже не может прекратиться. Воздух полным ходом мчится вниз. Когда он доходит до нижней части ячейки, начинается дождь. Кроме того, достигнув земной поверхности, относительно холодный воздух растекается во все стороны. Поэтому перед самой грозой начинает дуть холодный ветер, предвещающий бурю. В то мгновение, когда начинается дождь, возникает противоток воздуха. В тот же момент возникают электрические явления.
Через полчаса- час грозовая ячейка становится такой, как показано на рис.4. Тяга вверх прекратилась – больше нет тёплого воздуха, и поддерживать её нечем. Какое-то время ещё идёт дождь, всё становится спокойнее. На больших высотах ветры дуют в разные стороны, поэтому верх грозовой тучи обычно принимает вид наковальни.
Молния
Качественно можно описать молнию следующим образом. Как показали фотоснимки, молния–это обычно повторные электрические разряды по одному и тому же пути.
Потенциал нижней части тучи, висящей над равниной, гораздо более отрицателен, чем земная поверхность под ней. Отрицательный заряд(электроны) устремляются к Земле. Всё начинается со светящегося комка– «ступенчатого лидера». Он не такой яркий, как вспышка молнии. На снимках
Можно видеть в начале небольшое светлое пятнышко, выходящее из тучи и очень быстрокатящееся вниз соскоростью1/ 6 скорости света. Оно проходит всего около 50 м и останавливается. Следует пауза около 50 мкс, а затем происходит следующий шаг. Снова остановка, а после новый шаг и т.д.Так, шаг за шагом, пятно движется к Земле по пути, показанному на рис. 6.
Лидер наполнен отрицательным зарядом. Воздух ионизуется быстродвижущимися зарядам и лидерами становится проводящим вдоль его пути. В момент, когда лидер коснётся поверхности земли, получается как бы проводящая проволока, которая тянется до самой тучи и полна отрицательного
электричества. Теперь отрицательные заряды из тучи мчатся на землю: сначала соскакивают электроны нижней части лидера, оставляя позади себя положительный заряд. Он притягивает электроны из более верхнего участка лидера, они тоже падают на землю и т.д. В конце концов весь отрицательный заряд этой части тучи быстро и энергично сбегает по этому каналу вниз. Так что видимая
нами молния (как будто движение положительного заряда) бьёт от земли вверх (Рис. 7). Это и есть основной разряд– обратная вспышка. Она вызывает яркое свечение и выделение тепла, которое,
приводят к быстрому расширению воздуха, производит громовой удар.
1. Р.Фейнман, Р.Лейтон, М.Сэндс. Фейнмановские лекции по физике.т.5, МИР, М.,1977
2.Б.М.Яворский, А.А.Детлаф. Справочник по физике. М.,Наука, 1968
turboreferat.ru
Несомненно, человек познакомился с природным электричеством с самого зарождения человечества (молнии, электрические рыбы и др.). Однако многие века гигантская электрическая искра, каковой является молния, была лишь загадочным и страшным явлением, считавшимся орудием богов. Научное изучение этого явления началось лишь в XVII веке.
Учение об атмосферном электричестве тесно связано с вопросом об электризации осадков. Наблюдения показывают, что по большей части осадки имеют довольно значительный отрицательный заряд. Ранее это явление пытались объяснить отрицательной электризацией воды при испарении, теория же ионизации объясняет это тем, что ионы являются центрами конденсации паров, причем отрицательные ионы конденсируют влагу в более сильной степени и потому скорее выпадают вместе с осадками. Вихри, представляющие собой частные депрессии незначительного объема, обусловленные обыкновенно местными причинами, весьма часто сопровождаются электрическими разрядами и носят тогда название гроз. Электрический разряд, происходящий при этом между двумя облаками или между облаком и землей, называется молнией, и она сопровождается обыкновенно громом. Тихий разряд между облаками или же отражение отдаленной молнии, когда гром не слышен, называется зарницей.
Рис. 2. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода:
1 — граница зоны защиты иа уровне защищаемого объекта; 2 — граница зоны защиты на уровне земли
В соответствии с инструкцией СН 305—77 здания и сооружения I и II категорий подлежат молниезащите от прямых ударов молнии, вторичных воздействий и заноса высоких потенциалов.
yaneuch.ru
Количество просмотров публикации АТМОСФЕРНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО - 461
Среда обитания человека подвергается воздействию не только электромагнитного, солнечного и космического излучений, но и пронизана статическим электричеством. Понятие ʼʼатмосферное электричествоʼʼ объединяет совокупность электрических процессов, происходящих в атмосфере [9, 15]. Электрические свойства атмосферы и происходящие в ней электрические явления изучает специальный раздел геофизики. Атмосферное электричество — существенный абиотический фактор в биосфере, играющий большую роль в экологии. Атмосфера представляет собой газовую (воздушную) среду вокруг Земли, вращающуюся вместе с нею. Масса атмосферы составляет примерно 5,15-10" кг, а масса Земли — 6-1024 кг, т. е. масса атмосферы в миллион раз легче Земли. Химический состав атмосферы представлен в табл. 1.4.
| Газ | Объемная концентрация, % |
| A3otN2 | 78,08 |
| Кислород О2 | 20,95 |
| Аргон Аг | 0,93 |
| Углекислый газ СО2 | 3,5-10"2 |
| HeoHNe | 1,8-10-' |
| Гелий Не | 5 КГ* |
| Метан СН4 | 2-КГ* |
| Криптон Кг | 1,1 НГ* |
| Водород Н2 | 5 Ю-5 |
Таблица 1.4. Химический состав воздуха у поверхности Земля (без учета паров воды)
В нижней части атмосферы (до высот 20 км) содержатся также пары воды. С высотой давление, плотность воздуха и концентрация паров воды уменьшается. На высотах примерно 25 км расположен слой озона О3, предохраняющий живые организмы биосферы от вредного воздействия ультрафиолетового (УФ) излучения. На высотах, больших 100 км, увеличивается доля легких газов и на очень больших высотах преобладают молекулы Н2 и Не. Часть молекул под воздействием электромагнитных полей распадается на атомы и ионы, образуя слой ионосферы, которая используется для дальней радиосвязи.
Учитывая зависимость отизменения температуры с высотой атмосферу разделяют на тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу, экзосферу. Гравитационное поле Земли удерживает атмосферу. Электростатические силы, определяемые кулоновским взаимодействием между двумя неподвижными зарядами, во много раз больше гравитационного взаимодействия. К примеру, два заряда, каждый из которых равен одному кулону, действуют друг на друга при расстоянии в один метр с силой в несколько миллионов тонн. С другой стороны, две массы, каждая величиной в один килограмм, по закону тяготения Ньютона взаимодействует при расстоянии между ними в один метр с силой, примерно равной 6,7 10~14 т. Отсюда видно, насколько могущественнее силы кулоновского взаимодействия по сравнению с силами гравитационного взаимодействия. Закон взаимодействия двух электрических зарядов, открытый французским инженером Кулоном (1785) и названный его именем, удивительно гармонирует с законом всемирного тяготения И. Ньютона (1642 — 1727). Закон кулоновского взаимодействия находит чрезвычайно широкое применение в электростатике, теории плазмы, атомной и ядерной физике. При появлении в атмосфере одного рода электричества всегда появляется равное количество электричества другого рода. Нет ни одного явления, при котором создавался или исчезал заряд одного рода. Всегда происходит перераспределение заряда между телами. При ионизации атомов возникают свободные электроны, но при этом возникают и положительно заряженные ионы. Алгебраическая сумма зарядов остается неизменной. Существует и действует закон сохранения заряда, как существует и действует закон сохранения вещества.
В атмосфере всегда присутствует электрическое поле. Все осадки, облака, пыль и туманы в атмосфере всегда заряжены в какой-либо степени. Районы пыльных бурь, гроз, осадков имеют более сильные электрические поля, чем районы с ʼʼхорошейʼʼ погодой, где присутствует стационарное электрическое поле с напряженностью Е, равной примерно 130На рис. 1.7 представлена зависимость напряженности электрического поля Ё в зависимости от высоты h над уровнем моря (кривая 1) и континентами (кривая 2) для случая ʼʼхорошейʼʼ погоды. В целом атмосфера заряжена положительно, а Земля имеет отрицательный заряд, примерно
Рнс 1.7. Зависимость напряженности электрического поля Ё от высоты для ʼʼхорошейʼʼ погоды: 1 — над уровнем моря; 2 — над континентами
равный 3 ‣‣‣ 105 Кл. Наибольшее значение Ё наблюдается в средних широтах, а к полюсам и экватору значение Ё уменьшается.
На высоте 10 км значение Е составляет несколько В/м. В слое перемешивания толщиной примерно 0,3 — 3 км значение Е может увеличиваться из-за присутствия на этих высотах скопления аэрозольных частиц. При больших высотах величина напряженности электрического поля уменьшается по экспоненциальному закону. Между ионосферой и поверхностью Земли разность потенциалов составляет примерно 200 — 250 кВ. Величина Ё меняется со временем, т. е. бывают суточные и годовые вариации. У поверхности Земли электропроводность атмосферы в составляет (2 — 3)·10-14 Ом-1· м-1.
С увеличением высоты а растет по экспоненциальному закону и на высоте 10 км достигает значения 3,0‣‣‣ 10~13 Ом"1 -м . Электропроводность атмосферы определяется ионной составляющей с подвижностью легких ионов у поверхности Земли ы, = 10~4 м2/(сВ). Концентрация легких ионов п, увеличивается с увеличением ионизации зарядов и уменьшается с увеличением концентрации частиц N в атмосфере. Существует зависимость между а и и„ по которой можно определить наличие малых примесей аэрозольных частиц в атмосфере.
Основным источником ионизации атмосферы являются космические лучи, радиоактивные вещества Земли и воздуха, УФ и корпускулярное излучение Солнца. Космические лучи действуют по всей толще атмосферы. Радиоактивные вещества, находящиеся в Земле, в основном, ионизируют приземный слой атмосферы и с высотой данный источник ионизации резко убывает. Радиоактивные вещества, находящиеся в воздухе, ионизируют атмосферу до высот, примерно в несколько километров. Ионизирующее действие УФ и корпускулярного излучений Солнца проявляется в слоях верхней атмосферы.
В атмосфере, в основном, текут токи проводимости, конвективные токи и токи диффузии. Ток проводимости с плотностью inпод влиянием электрического поля Ё течет в атмосфере вертикально вниз к Земле:
При учете поверхности Земли величдна суммарного тока проводимости достигает 1800 А. Плотность тока проводимости по высоте примерно постоянна. Небольшие отклонения наблюдаются в слое перемешивания. Здесь токи проводимости, конвективные токи переноса и токи диффузии сравнимы друг с другом. Поскольку в стационарных условиях суммарная плотность тока не изменяется с высотой, в связи с этим в слое перемешивания сумма всех токов достигает значения тока проводимости на больших высотах.
Антропогенная деятельность приводит к значительным изменениям локальных электрических характеристик атмосферы по сравнению с глобальными вековыми характеристиками. Увеличение аэрозольных примесей в атмосфере приводит к увеличению Ё и уменьшению а в слое перемешивания. Напротив, испытания атомного и ядерного оружия привели к увеличению ионизации атмосферы, а, следовательно, к увеличению а и уменьшению Е. Влияние антропогенной деятельности впоследствии все больше будет сказываться на атмосферно-электрические характеристики.
Источниками атмосферного электричества в локальных областях являются извержения вулканов, торнужно, метели, пылевые бури, разбрызгивание морских волн и водопадов, облака, осадки, паровые и дымовые образования природного и техногенного происхождения и т. д. При этом электризация атмосферы происходит весьма бурно, что приводит к возникновению грозовых явлений. Наибольший вклад в электризацию атмосферы вносят облака и осадки. В слоисто-кучевых облаках плотность объёмных зарядов достигает значения р=10~10 Кл/км3, что примерно на порядок больше плотности зарядов в чистой невозмущенной атмосфере. Напряженность электрического поля Ё в облаках достигает 100 —
300 В/м. Отдельные капли несут заряд q=lO— ЮОе. В нижней области облака находятся отрицательные заряды, а верхние области облака заряжены положительно. В дождевых облаках приведенные выше величины превышают в несколько раз аналогичные величины слоисто-кучевых облаков. К примеру, заряды капель осадков достигают значения q= 10s — 10б е (е — заряд электрона).
С осадками на Землю устремляются электрические заряды плотностью порядка 10~12 — 10~и А/м2. На широтах ближе к экватору это значение плотности токов растет. В кучево-дождевых облаках при ливне средние значения р, Ем. q достигают величин: р = (0,3 —
10) 10~9 Кл/м3; Ё={\ — 5) 10* В/м; ?=102 — 5 102 е. В кучево-дождевых облаках при грозе эти параметры имеют следующие значения: р=(3 — 30) Ю"9 Кл/м3; Е=(5 — 20)-104 В/м; ?= 10б —
107 е. В грозовых облаках имеются экстремумы Ё и р, величина которых на порядок превышает средние значения этих параметров. В зонах экстремумов Е зарождаются молнии. В грозовых облаках плотности токов на порядок больше плотности в ливневых облаках. Суммарный ток, текущий на земную поверхность от одного грозового облака, примерно равен 0,1 А (в наших широтах) и достигает 1 А в районах экватора.
Изучение электрических процессов в атмосфере и контроль за состоянием атмосферы имеют большое значение для экологии как с точки зрения биологического действия атмосферного электричества, так и с точки зрения уменьшения его вредного и опасного воздействия на различные техногенные объекты (сооружения, промышленные установки, авиацию, линии связи и электропередач и т. п.). Электрические процессы, происходящие в атмосфере, обусловлены не только статическим электричеством и электромагнитным, космическим и солнечным излучением, но и сами облака являются источниками радиоизлучения [18]. Атмосферное электричество проявляется в виде разнообразных явлений, из которых видное место занимают молнии.
referatwork.ru
ФГБОУ ВПО
Московский государственный университет технологий и управления
имени К. Г. Разумовского
Институт Биотехнологий и Рыбного ХозяйстваКафедра промышленной экологии и охраны труда
КУРСОВАЯ РАБОТАтема
Электрические явления в атмосфере
Выполнил:
Студент 2 курса
Института Биотехнологий
и Рыбного Хозяйства
Специальности
«экология и природопользование»
022000.62
Политов М.О.
Научный руководитель:
Романенко Александр Иванович
кандидат технических наук,
доцент
____________________
Москва, 2012
Содержание работы:
2.4. Генерация и разделение зарядов в конвективном облаке 14
2.5. Классификация механизмов генерации и перераспределения электрического заряда в конвективном облаке 16
2.6.Вывод 21
3.2. Виды молний 24
3.2.1. Молнии в верхних слоях атмосферы 26
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 электричество 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.
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.
2.1. 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, 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 10-1 - 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.
2.2. 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: 1) создать достаточное количество нескомпенсированных электрических зарядов разных знаков; и 2) 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 (см. рис. 1, стр. 9).
Рис.1
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).
Одну из них мы находим сразу. Самой стабильной и самой большой силой на Земле, как показывает повседневный опыт, является сила земного тяготения. Она действует вечно и практически не меняется. Гравитационными аномалиями, конечно же, можно смело пренебречь.
Стало быть, вторую силу, противоположно направленную, следует искать именно в вертикальной плоскости (рис. 1 как раз и изображен по вертикали - это уже подсказка). Это - сила, оказываемая на носители электрических зарядов восходящими воздушными потоками.
2.3. 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:
1. 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.
2. Вторжение холодного атмосферного фронта в более теплую воздушную массу. При этом холодный воздух, будучи более плотным, вытесняет теплый вверх. Отсюда - восходящий поток.
3. Сходимость (конвергенция) воздушных потоков различного масштаба (в частности, глобальных ячеек циркуляции). При взаимодействии встречных потоков воздух вытесняется вверх.
4. Циркуляция воздуха в тропических циклонах. Механизм формирования и поддержки этой циркуляции пока недостаточно изучен.
5. 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. 1, 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».
2.4. 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 ни коим 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.2) Вторая стадия. С распадом облака упорядоченная система зарядов «размывается».
Рис.2
2. 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.
3. Выпадение града практически всегда сопровождается грозой. Обратное неверно - грозы бывают без града.
2.5. 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.
1. 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. 3). Молекулы воды, представляющие собой диполи, обращаются положительным полюсом в направлении поля (вниз) и отрицательным в противоположном направлении.
Рис.3
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 10-2 - 10-1 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.
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.
2. 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: 1) вычисление вероятности столкновения частиц, движущихся друг на друга (они могут и разойтись - здесь нужно учитывать аэродинамику) и 2) определение вероятности слияния столкнувшихся частиц (они могут и разлететься). В этом направлении предстоит большой объем новых исследований.
3. 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. 3, 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.2), 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.
2.6. Вывод
Итак, на основании выше изложенного можно сделать следующие основные выводы:
1. 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).
2. Сильные электрические поля возникают в результате разделения разноименных электрических зарядов в пространстве.
3. 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 .
4. Роль каждого механизма в образовании грозы определяется конкретной ситуацией.
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. 4)
Рис.4. Глобальная частота ударов молний
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.
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».
Жемчужная молния очень редкое и красивое явление. Появляется сразу после линейной молнии и исчезает постепенно. Преимущественно разряд Жемчужной молнии следует по пути линейной. Молния имеет вид светящихся шаров, расположенных на расстоянии 7-12 м друг от друга, напоминая собой жемчуг, нанизанный на нитку. Жемчужная молния может сопровождаться значительными звуковыми эффектами.
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.
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
2. Хромов С.П., Петросянц М.А. Метеорология и климатология. 4-е изд.- М.: Изд-во Моск. ун-та, 2008.
3. Небел Б., Наука об окружающей среде, Изд-во Москва «МИР», 1993
4. 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.
6. Базелян Э.М., Райзер В.П. Физика молнии и молниезащиты. М., 2001.
7. MacGorman D.R., Rust W.D. The electrical nature of storms. Oxford, 1998.
Дополнительный
1. Астапенко П.Д. Вопросы о погоде.- Л.: Гидрометеоиздат, 2009.
2. Будыко М.И. Климат в прошлом и будущем.- Л.: Гидрометеоиздат, 2007.
3. Хромов С.П., Мамонтов Л.И. Метеорологический словарь.- Л.: Гидрометеоиздат, 2008.
Электронно – программные средства.
1.Интернет словарь и энциклопедия http://dic.academic.ru/
2.Официальный сайт ГИДРОМЕТЦЕНТРА России http://meteoinfo.ru/
3.Интерет-журнал о погоде http://meteoweb.ru/
4. Интернет-журнал о природных явлениях https://sites.google.com/site/differentnaturalphenomena/
Приложения
Классификация облаков и используемые научные сокращения
1. Перистые (Cirrus, Ci)
2.Перисто-кучевые (Cirrocumulus, Cc)
3. Перисто-слоистые (Cirrostratus, Cs)
4. Высоко-кучевые (Altocumulus, Ac)
5. Высоко-слоистые (Altostratus, As)
6. Высоко-слоистые просвечивающие (Altostratus translucidus, As trans)
7. Слоистые (Stratus, St)
8. Слоисто-кучевые (Stratocumulus, Sc)
9. Кучевые облака (Cumulus, Cu)
1) плоские (hum., humilis) — слабо развитые по вертикали (толщина от 100 м до 1 км), в виде плоских "блинов" или "пирогов";
2) средние (med., mediocris) — умеренно развитые по вертикали (толщина 1-2 км), приблизительно кубической формы;
3) мощные (cong., congestus) — сильно развитые по вертикали (мощность более 2 км), в виде башен, их верхние части имеют вид куполов с клубящимися очертаниями, напоминающими цветную капусту; при благоприятных условиях в процессе своего развития превращаются в кучево-дождевые (грозовые) облака.
10. Слоисто-дождевые (Nimbostratus, Ns)
11. Кучево-дождевые (Cumulonimbus, Cb)
Приложения
Типы и высоты облаков
Рис.4
Приложения
add.coolreferat.com
