Электропроводность атмосферы
Атмосфера Земли содержит в своём составе не только нейтральные молекулы, но и ионы и свободные электроны, концентрация которых зависит от высоты, солнечной активности, радиационного фона и других факторов. Процесс ионизации заключается в выбивании электронов из нейтральных молекул под действием различных источников энергии, таких как:
Основными зонами ионизации являются верхние слои атмосферы — мезосфера, термосфера и особенно ионосфера, где концентрация ионов может достигать значительных значений. Однако и в нижней атмосфере, включая тропосферу, постоянно присутствует слабая ионизация, обусловленная в основном космическими лучами и радиоактивными элементами земной коры.
В атмосфере носителями электрического тока являются:
В тропосфере основными носителями тока являются ионы, тогда как в ионосфере большую роль играют свободные электроны из-за меньшей плотности газа и высокой энергии ионизации.
Электропроводность атмосферы изменяется на порядки величины по высоте. В нижних слоях (тропосфера, стратосфера) она очень мала — порядка 10⁻¹⁴ – 10⁻¹³ С²/Н·м²·с, поскольку концентрация ионов и электронов незначительна. С увеличением высоты электропроводность возрастает из-за роста ионизации и снижения плотности воздуха, достигая в ионосфере значений 10⁻⁵ – 10⁻³ С²/Н·м²·с и выше.
Выделяют три основных слоя:
Для количественного описания вертикального профиля проводимости используют понятие удельной проводимости (σ), зависящей от концентрации ионов, их подвижности и температуры:
σ = e ⋅ (n+ ⋅ μ+ + n− ⋅ μ− + ne ⋅ μe)
где:
Подвижность ионов в атмосфере также зависит от давления и температуры. При понижении давления сопротивление уменьшается, а подвижность возрастает.
Вся атмосфера пронизана слабым вертикальным электрическим полем, направленным от ионосферы к Земле. Типичное значение этого поля в спокойных условиях составляет порядка 100–150 В/м у поверхности Земли. В отсутствие грозовой активности на поверхности наблюдается нисходящий ток плотностью примерно 1–3 пА/м2, обусловленный разностью потенциалов между Землёй и ионосферой (около 250–300 кВ).
Электропроводность атмосферы вносит существенный вклад в процессы перезарядки атмосферы, баланс токов в системе Земля–атмосфера–ионосфера, а также в формирование погодных и климатических процессов.
Понятие глобальной электрической цепи (ГЭЦ) объединяет проводимость атмосферы, ионосферу как верхний электрод и Землю как нижний. В этой системе:
ГЭЦ представляет собой устойчивую электродинамическую систему, поддерживающую разность потенциалов между Землёй и ионосферой.
Аэрозоли и загрязняющие примеси оказывают значительное влияние на проводимость атмосферы:
Таким образом, атмосферная проводимость тесно связана с качеством воздуха, уровнем загрязнения и аэрозольным составом атмосферы.
В верхней атмосфере проводимость становится анизотропной из-за действия магнитного поля Земли. Электрические заряды (особенно электроны) начинают двигаться по спиралям вдоль силовых линий магнитного поля, ограничивая их поперечную подвижность.
Это приводит к появлению различных компонентов проводимости:
Анизотропная проводимость особенно важна в ионосферных процессах, в том числе для объяснения поведения полярных сияний и электроджетов.
В грозовых облаках наблюдается сильная локальная ионизация и возникновение высоких электрических полей. Проводимость воздуха в таких условиях резко возрастает за счёт:
Высокая проводимость облегчает движение зарядов внутри облака и между облаком и землёй, создавая условия для возникновения молний и других разрядов.
Измерения проводимости атмосферы осуществляются с помощью:
Эти данные используются для прогноза радиосвязи, оценки состояния атмосферы, а также для мониторинга космической погоды.
Проводимость атмосферы чувствительна к различным геофизическим и метеорологическим условиям:
Поэтому она не является постоянной величиной и требует регулярного мониторинга при построении моделей атмосферной электродинамики.