Атмосфера Земли в нормальных условиях представляет собой слабопроводящую среду, в которой в равновесном состоянии поддерживается вертикальное электрическое поле, направленное от ионосферы к поверхности Земли. Наличие электрического поля обусловлено разделением зарядов, поддерживаемым глобальной электрической цепью, включающей грозовые облака, молнии, токи проводимости и ионосферу.
В ясную погоду у земной поверхности наблюдается вертикальное электрическое поле порядка 100–150 В/м, напряжённость которого убывает с высотой. Поток положительных ионов, движущихся вниз, и отрицательных ионов, поднимающихся вверх, обусловливает слабый ток — ток проводимости, текущий в атмосфере даже в отсутствие гроз.
Основным источником свободных зарядов в атмосфере является ионизация. Воздух ионизируется под действием:
Образующиеся ионы могут быть лёгкими (свободные молекулы, потерявшие или получившие электрон) и тяжёлыми (ион, захвативший кластер молекул воды или других газов). В условиях высокой влажности преобладают тяжёлые ионы.
Особенно важную роль в электризации атмосферы играют облака, в первую очередь кучево-дождевые. Внутри них происходит разделение зарядов за счёт столкновений между частицами различной природы: каплями воды, кристаллами льда, градинками. Основными механизмами являются:
Как правило, верхняя часть грозового облака заряжается положительно, а нижняя — отрицательно, создавая сильное электрическое поле.
Вертикальное электрическое поле в атмосфере в ясную погоду определяется градиентом потенциала и направлено сверху вниз. Оно поддерживается постоянной токовой системой: положительные заряды поступают от ионосферы вниз, компенсируя утечку электронов к Земле.
При развитии грозовых облаков и накоплении зарядов поле может достигать напряжённости в десятки кВ/м. При превышении порогов пробоя воздуха происходят молнии, разряжающие облако или облако-Землю. Эти процессы сопровождаются интенсивным изменением локальных полей, возникновением токов обратной полярности и индуктивных эффектов.
Глобальная электрическая цепь (ГЭЦ) — это система постоянной циркуляции электрических токов в атмосфере, связывающая поверхность Земли, тропосферу и ионосферу. Основными элементами ГЭЦ являются:
Суммарный ток проводимости в ясную погоду, текущий от ионосферы к поверхности, составляет порядка 1000–2000 А. Грозы генерируют токи, обеспечивающие подзарядку ионосферы, компенсируя её утечки.
Молнии представляют собой искровые разряды в атмосфере, возникающие при пробое воздушного промежутка между разноимённо заряженными областями. Основные типы:
Молния развивается в несколько стадий:
Типичное напряжение молнии — порядка сотен мегавольт, сила тока — десятки килоампер, длительность — от микросекунд до сотен миллисекунд.
Ток проводимости обусловлен направленным движением ионов и электронов под действием электрического поля. Его плотность зависит от концентрации зарядов и проводимости воздуха. В ясную погоду плотность тока составляет около 10−12 А/м².
При наличии восходящих и нисходящих потоков ионы могут перемещаться, создавая дополнительные токи, особенно в облаках и вблизи фронтов. Конвективные токи в значительной степени влияют на локальные распределения зарядов и, следовательно, на электростатическую устойчивость воздушных масс.
Частицы осадков (капли, снежинки, градины), захватывая ионы из окружающего воздуха, становятся электрически заряженными и, перемещаясь в гравитационном поле, создают ток переноса зарядов. Эти токи могут существенно менять электрическое состояние облака.
Молнии являются источником мощных электромагнитных волн в широком диапазоне частот: от радиодиапазона до оптического и даже гамма-излучения. Наблюдаются такие явления, как:
Эти эффекты являются важными индикаторами электрических процессов в атмосфере и активно изучаются с помощью спутников, радиолокаторов и наземных станций.
Электрические процессы в атмосфере могут оказывать влияние на микрофизику облаков, интенсификацию осадков, а также взаимодействовать с климатической системой. Молнии влияют на химический состав атмосферы, включая образование оксидов азота, и участвуют в глобальном азотном цикле.
С практической точки зрения атмосферное электричество представляет угрозу для:
Исследование атмосферного электричества является важным направлением современной науки и связано с задачами прогноза гроз, разработки систем молниезащиты, мониторинга ионосферных возмущений и оценки климатических рисков.