Электрическое поле атмосферы

Общие характеристики

Атмосфера Земли является не только механической и термодинамической системой, но и сложным электродинамическим объектом. Электрическое поле атмосферы формируется под действием глобальной электрической цепи, включающей поверхность Земли, ионосферу и различные процессы в тропосфере. Оно проявляется в виде потенциалов, токов, проводимости и зарядовых структур, постоянно изменяющихся в зависимости от времени суток, погодных условий и геофизических факторов.

Среднее вертикальное электрическое поле у поверхности Земли в ясную погоду составляет около 100–150 В/м, направлено оно от ионосферы к поверхности. При подъёме над уровнем моря его величина убывает, что отражает распределение объемных зарядов в атмосфере.

Источники электричества в атмосфере

Формирование атмосферного электрического поля связано с несколькими основными источниками:

Глобальная грозовая активность. Грозовые облака выполняют роль генераторов тока, перенося заряд от нижней части атмосферы к ионосфере. Считается, что совокупность всех гроз на Земле поддерживает разность потенциалов порядка 250–300 кВ между земной поверхностью и ионосферой.
Космическое излучение и радиоактивный фон. Эти факторы обеспечивают ионизацию молекул воздуха, формируя подвижные носители заряда (ионы, электроны). Они определяют электропроводность атмосферы, которая возрастает с высотой, особенно в стратосфере и мезосфере.
Аэрозольные частицы. Аэрозоли играют роль центров рекомбинации ионов, снижая электропроводность воздуха. При высокой концентрации пыли, дыма или водяных капель наблюдается уменьшение электрического поля в приземном слое.

Структура глобальной электрической цепи

Глобальная электрическая цепь атмосферы включает три основных компонента:

Земная поверхность, выступающая как отрицательно заряженный электрод.
Ионосфера, которая играет роль положительно заряженного слоя на высоте около 60–80 км.
Токовая система, связывающая поверхность и ионосферу, поддерживаемая грозовыми разрядами и восходящими токами.

Через атмосферу протекает постоянный ток, оцениваемый в среднем в 1–2 кА по всей планете. При этом плотность тока в ясную погоду у поверхности составляет около 2 пА/м².

Поведение электрического поля в различных условиях

Электрическое поле атмосферы подвержено значительным колебаниям:

В ясную погоду наблюдается относительно стабильное поле, изменяющееся в суточном цикле: максимум приходится на часы после полудня по всемирному времени (так называемый “карнегианский ритм”).
Во время гроз поле изменяется на порядки, достигая величин до десятков киловольт на метр. В таких условиях формируются молнии и другие разрядные явления.
При туманах и облаках электрическое поле усиливается за счёт осаждения зарядов на водяных каплях.
В условиях сильного ветра, пыльных бурь, извержений вулканов возникают мощные локальные электрические поля вследствие трибоэлектрической зарядки частиц.

Роль ионизации и проводимости

Электропроводность атмосферы возрастает с высотой, что связано с уменьшением плотности воздуха и возрастанием интенсивности космического излучения.

В тропосфере преобладает ионизация за счёт радиоактивного распада и ультрафиолетового излучения.
В стратосфере и выше ключевую роль играет космическое излучение.
В ионосфере формируется высокая концентрация свободных электронов, обеспечивая практически идеальную электропроводность.

Атмосферные электрические явления

На основе распределения электрического поля возникают разнообразные явления:

Молнии — наиболее мощные проявления электрических разрядов, сопровождающиеся выделением энергии до 10⁹ Дж за один канал разряда.
Спрайты, джеты и эльфы — транзиентные световые явления в верхней атмосфере, возникающие над грозами.
Коронирование и свечение Ст. Эльма — электрические разряды на остриях и вершинах объектов при высоком напряжении поля.
Атмосферные радиошумы — результат электромагнитных импульсов от молний, распространяющихся на большие расстояния.

Влияние на климатические и биологические процессы

Электрическое поле атмосферы не только физический феномен, но и фактор, влияющий на окружающую среду:

Оно участвует в переносе аэрозолей и ионов, влияя на процессы коагуляции и рост облачных капель.
В грозовых системах электризация способствует образованию осадков.
Электрические разряды стимулируют химические реакции в атмосфере, например, образование оксидов азота, которые затем участвуют в азотном цикле биосферы.
Электрические поля и ионный состав воздуха оказывают влияние на здоровье человека, особенно в районах с аномально высоким уровнем атмосферной электризации.