Вертикальная структура и основные характеристики электрического поля атмосферы
Электрическое поле атмосферы представляет собой неустойчивую, изменчивую электрофизическую систему, генерируемую как глобальными, так и локальными процессами. При отсутствии грозовой активности в атмосфере наблюдается так называемое спокойное электрическое поле, характеризующееся направленностью от ионосферы к поверхности Земли, с типичной напряжённостью порядка 100–150 В/м у земной поверхности. Такое поле обусловлено глобальным электрическим током, протекающим в системе Земля–атмосфера–ионосфера.
Глобальная электрическая цепь атмосферы
Атмосфера, ионосфера и поверхность Земли образуют замкнутую глобальную электрическую цепь. Генераторами этой цепи служат в первую очередь грозовые облака и другие электрически активные метеорологические явления (вулканы, песчаные бури, и т.д.), создающие разности потенциалов, поддерживающие вертикальные токи в атмосфере.
Электризация атмосферы и роль ионов
Атмосфера содержит свободные заряды — ионы, электроны и заряженные аэрозольные частицы. Их концентрация уменьшается от стратосферы к тропосфере. Источниками ионизации служат:
Важной характеристикой электрического состояния атмосферы является проводимость воздуха, определяемая как
σ = e(n+μ+ + n−μ−)
где e — заряд электрона, n± — концентрации положительных и отрицательных ионов, μ± — их подвижности.
Вертикальное распределение электрического поля
Вне грозовой активности электрическое поле убывает с высотой. Это обусловлено тем, что с увеличением высоты растёт электрическая проводимость, а также снижается плотность отрицательных зарядов у поверхности Земли. Типичные значения напряженности:
Грозовые облака и их электрическая структура
Грозовое облако (обычно кучево-дождевое, Cb) представляет собой основное звено атмосферного электричества. Электризация облака происходит в результате микрофизических процессов, прежде всего взаимодействия капель воды, кристаллов льда и градин. Ключевые механизмы:
Характерная структура заряда грозового облака:
Иногда фиксируется дополнительный мелкомасштабный отрицательный заряд под облаком, а также мощные положительные области в наковальне облака.
Разряды молний и перенапряжения
Молнии представляют собой мощные электрические разряды, происходящие как внутри облака (внутриоблачные разряды), так и между облаком и землёй (облако–земля). Молния может переносить заряды порядка десятков кулонов, развивая токи до 30–100 кА.
Основные этапы разряда молнии:
Измерение электрического поля атмосферы
Для регистрации и изучения электрических характеристик атмосферы используются:
Аэрозольная модификация электрических свойств атмосферы
Заряженные аэрозоли вносят значительный вклад в электрическую структуру атмосферы. Они могут экранировать поле, перераспределять заряды, усиливать или ослаблять ионизацию. В районах с высоким уровнем загрязнения (промышленные зоны, города) наблюдаются аномалии поля, снижение проводимости и увеличение электростатической нестабильности.
Глобальная климатическая и космическая связь
Изменения солнечной активности, магнитных бурь, плотности космических лучей и вулканической активности могут оказывать ощутимое влияние на глобальное атмосферное электрическое поле. Установлена корреляция между напряжённостью поля в спокойных зонах и вариациями солнечного цикла.
Электрическое поле в атмосфере при особых явлениях
В специфических условиях электрическое поле атмосферы может достигать экстремальных значений. Наиболее характерные ситуации:
Роль электрического поля в погодных и климатических процессах
Электрическое поле влияет на конденсационные процессы, коагуляцию капель, движение аэрозолей и ионов. Оно может способствовать ионизации частиц и инициировать образование конденсационных ядер, а также влиять на электрическую агрегацию в облаках. Предполагается также возможное влияние атмосферного электричества на биосферу и поведение живых организмов, особенно чувствительных к электрическим и магнитным полям.
Физические модели и численное моделирование
Для изучения электрических процессов в атмосфере применяются аналитические модели (одномерные и многослойные схемы распределения заряда), а также численные модели, основанные на уравнениях Максвелла, уравнении Пуассона, уравнениях непрерывности тока и движения ионов. Разрабатываются трёхмерные модели молний, грозовых ячеек и токов утечки в глобальной электрической цепи. Такие модели учитывают:
Электростатика и градиенты поля как предвестники гроз
Измерения напряжённости и градиентов электрического поля используются в прогностических целях. Быстрое нарастание поля у поверхности, превышение пороговых значений (обычно 1000–2000 В/м) сигнализируют о возможной грозовой активности. Автоматические измерительные комплексы могут заблаговременно предупреждать о молниевой опасности.