Атмосферное электричество

Общие сведения

Атмосферное электричество представляет собой совокупность электрических процессов, происходящих в атмосфере Земли. Оно охватывает как глобальные электрические цепи между ионосферой и поверхностью планеты, так и локальные явления, связанные с грозовыми облаками, молниевыми разрядами, статическим электричеством и электрическим полем атмосферы. Данный раздел физики окружающей среды изучает природу электризации атмосферы, механизмы генерации и переноса зарядов, а также их взаимодействие с климатическими и геофизическими процессами.

Электрическое поле атмосферы

В ясную погоду между поверхностью Земли и ионосферой существует устойчивое электрическое поле, направленное вниз к Земле. Его напряженность в среднем составляет около 100–150 В/м у поверхности и убывает с высотой. Атмосфера в целом ведет себя как слабопроводящий диэлектрик, через который протекают токи утечки.

Этот ток поддерживается за счет глобальной электрической цепи, где генераторами выступают грозовые облака и грозовые разряды, поддерживающие разность потенциалов порядка 250–300 кВ между Землей и ионосферой.

Глобальная электрическая цепь

Земля и ионосфера образуют своего рода сферический конденсатор. Нижняя часть атмосферы характеризуется слабой проводимостью из-за наличия ионов, создаваемых космическим излучением и радиоактивным фоном.

В ясную погоду токи, протекающие от ионосферы к поверхности Земли, называют токами “спокойной погоды”. Средняя плотность такого тока составляет около 2 пА/м², что эквивалентно мировому току порядка 1000–2000 А. Этот ток замыкается за счет грозовых процессов, которые действуют как высоковольтные генераторы, подзаряжающие систему.

Электризация облаков и разделение зарядов

Образование электрических зарядов в облаках связано с процессами микрофизики:

• столкновениями капель воды и кристаллов льда;
• переходами фаз (замерзание, испарение);
• градиентами температуры и давления.

В грозовом облаке формируется характерная структура зарядов: в верхней части облака концентрируется положительный заряд, в средней и нижней — отрицательный, а у основания иногда выделяется дополнительный положительный слой. Такая система создает напряженности поля порядка 10⁵–10⁶ В/м, достаточные для инициирования электрических разрядов.

Молниевые разряды

Молния является наиболее заметным проявлением атмосферного электричества. Она представляет собой мощный искровой разряд, возникающий при пробое воздуха между областями с различным зарядом.

Выделяют несколько основных типов молний:

• внутриоблачные – наиболее распространенные;
• межоблачные – между двумя облаками;
• облако–земля – представляющие наибольшую опасность для человека и инфраструктуры;
• облако–ионосфера – включающие редкие явления типа “спрайтов” и “джетов”.

Токи молнии достигают 10–200 кА, напряжение — десятков и сотен миллионов вольт, а мощность выделяемой энергии — до 10¹¹ Дж.

Электрическая активность атмосферы вне гроз

Даже в отсутствие гроз наблюдаются электрические явления:

• атмосферное свечение и огни Святого Эльма — коронные разряды, возникающие на острых предметах при сильных электрических полях;
• электризация пыли и песка в пустынях, а также вулканического пепла, что приводит к возникновению пылевых и вулканических гроз;
• градиентные токи в полярных областях, связанные с воздействием солнечного ветра и магнитосферы.

Роль космических и геофизических факторов

Интенсивность атмосферного электричества изменяется под влиянием:

• солнечной активности, которая влияет на ионизацию атмосферы и процессы в ионосфере;
• геомагнитных бурь, вызывающих изменения токовых систем в верхних слоях атмосферы;
• космического излучения, создающего ионные пары в тропосфере и стратосфере;
• вулканической активности и пылевых бурь, усиливающих электризацию локальных областей.

Практическое значение исследований

Понимание процессов атмосферного электричества имеет прикладное значение:

• прогнозирование грозовой активности и разработка систем молниезащиты;
• изучение взаимодействия атмосферы с космическим пространством и магнитосферой Земли;
• определение влияния электрических процессов на климатические и погодные условия;
• применение знаний об электризации аэрозолей и капель в метеорологии и экологии.