> Энциклопедический словарь Гранат, страница > Атмосферное электричество

Атмосферное электричество

Атмосферное электричество (ср. IV, 245/51). Хотя электрические явлепия в атмосфере и были обнаружены около 190 лет тому назад, но наши сведения о них сильно продвинулись вперед только за последние 35 лет, после того как были обнаружены радиоактивные явлепия и создана т. паз. электронная теория. В настоящее время мы знаем, что наша атмосфера находится в ионизированном состоянии, В атмосфере мы различаем т. наз. «легкие» поиы, которыми являются молекулы воздуха, вернее комплексы молекул (10—15 молекул), и «тяжелые» ионы, образующиеся из легких в результате оседания последних на различные материальные частички, „постоянно содержащиеся в воздухе (ныль, дым и т. и.). Поныобразуются в атмосфере под действием целого ряда факторов, т. паз. ионизаторов, из которых в нижних слоях атмосферы над сушей главная роль (па 75%) принадлежит лучам радиоактивпых веществ, содержащихся в земной коре и в атмосфере; в более высоких слоях (с высоты 4—5 км), а пад океаном и в нижних слоях почти единственным ионизатором является верхняя проникающая радиация или космические лучи, как мы называем особого рода излучение, приходящее к нам из мирового пространства; на очень больших высотах в несколько десятков километров главным ионизатором являются ультрафиолетовые лучи солнца, а также, возможно, и те корпускулярные лучи, которые посылает к нам солнце.

Ионы являются как бы особого рода газом, подмешанным к воздуху, и, подчиняясь вместо с последним всем механическим и тепловым воздействиям, в то же время подвергаются и действию электрических сил; находясь в электрическом поле, они движутся с тем бблыпей скоростью, чем больше напряжение поля и чем меньше масса ионов. Характерной величиной в этом отношении является подвижность ионов, то есть та скорость, с которой они движутся в электрическом поле, напряжение которого равно единице. Указанные две группы ионов в атмосфере резко отличаются и своей подвижностью: для «легких» ионов подвижность в среднем составляет 1—2 см/сек в поле 1 нольт/с.и, причем подвижность отрицательных несколько больше, чем положительных; подвижность «тяжелых» ионов во много раз меньше—именно порядка 0,0005 см/сек. Ионы средней подвижности, промежуточной между указанными, а также очень быстрые ионы, если и наблюдаются, то при особых условиях состояния атмосферы, и в ограниченном числе. При свовх движениях ионы противоположных

21И

зпаков, подходя на достаточно близкое расстояние один к другому, взаимно притягиваются и могут соединиться; при этом, так как их заряды равны по величине, но противоположны по знаку, то они взаимно уничтожаются, и ионы, теряя свои заряды, превращаются в обычные нейтральные частицы и прекращают свое существование —происходит т. паз. воссоединение ионов, из наблюдений найдено, что легкий ион в атмосфере существует как таковой в среднем около 1 минуты, после чего он исчезает, либо превращаясь в нейтральную частицу в результате воссоединения, либо оседая на материальную частицу и превращаясь в тяжелый ион, а также по некоторым другим причинам, имеющим второстепенное зпачение. Эта продолжительность жизни легкого иона в очень сильной мере зависит от степени запыленности воздуха и, следовательно, от числа содержащихся в последнем пылинок, как нейтральных, так и электрически заряженных («тяжелые» ионы). При этом попятно, что в чистом воздухе число легких ионов будет относительно больше, чем в загрязненном; число яге тяжелых ионов, наоборот, будет мало в чистом воздухе и в некоторых случаях весьма велико в загрязненном. Наблюдениями, произведенными помощью т. наз. счетчика ионов Эберта, установлено, что в нормальных условиях в каждом куб. сантиметров воздуха в иилсних слоях атмосферы, как над сушей (вне мест с особой запыленностью), так и над океаном, содержится около 600— 800 легких ионов калсдого знака, причем в отдельных случаях это число колеблется в достаточно широких пределах в зависимости от места наблюдения, от состояния атмосферы (главным образом ее запыленности), а также от времени дня и года; чно касается числа «тяжелых» ионов, то оно обычно больше числа легких,

и нередки случаи, когда их в 50— 60 раз больше, чем последних; особенно велико их число в местах с загрязненной атмосферой, в частности в воздухе больших городов.

Наблюдаемое нами в атмосфере число ионов является результатом действия, с одной стороны — ионизаторов, с другой — причин, вызывающих уничтожение ионов; если мы назовем через q число пар иопов, образующихся в единице объёма в единицу времени, а через и — число пар ионов, содержащихся в единице объёма, тогда для изменения числа

dn -

ионов во времени будут справедливы следующие выражения: 1) для чистого воздуха: ~ft= q—ап где

А —т. паз. кажущийся коэффициент воссоединения, численно равный в естественных условиях 3 10-в см3/сек, и 2) для запыленного воздуха:

где р — т. наз. постоянная пропадания ионов, численное значение которой весьма сильно зависит от степени запыленности атмосферы и которое в среднем можно принять равным [5=10—20 10-3 сек~1. В среднем за достаточно большие отрезки времени число ионов в атмосфере остаетсянеизменным то есть -jt=0и, следовательно, паписапные выше формулы принимают вид: q=ans (для чистого воздуха) и q — $n (для запыленного воздуха), то есть мы можем говорить о том, что в атмосфере устанавливается некоторое стационарное состояние равповесия, при котором число ионов, образующихся в единицу времени в единице объёма (q), равно числу пропадающих иопов.

Проверка последних формул как путем вычислений, так и путем одновременного определения входящихв них величин дает достаточно удовлетворительный результат, причем установлено, что над сушей число q

составляет примерпо 10—°н— и над

1 1 смУсекморем около 2 пар ионов в 1 сме в 1 сек.

Благодари присутствию ионов всякий изолированный проводник, помещенный в воздухе, теряет постепенно свой заряд, так как последний уничтожается зарядами ионов противоположного знака, притягивающихся к нему и осаждающихся на нем—это явление рассеяния электричества издавна было предметом наблюдения, причем его обычно характеризуют т. п. коэффициентом рассеяния, который дает потерю заряда в единицу времени, выраженную в процентах всего заряда. В настоящее время обычно измеряют не коэффициент рассеяния, и непосредственно величину проводимости, обусловленную и положительными и отрицательными ионами, выражая се в абсолютных единицах. Ясно, что проводимость, обусловленная ионами каждого знака, будет тем больше, чем больше число ионов в единице объёма и чем больше их подвилшоеть. Наблюдениями последних десятилетий проводимость атмосферы достаточно изучена для ряда пунктов земной поверхности, причем оказывается, что в нижних слоях атмосферы проводимость, обусловленная положительными ионами, в среднем в 1,1 раза больше проводимости, обусловленной отрицательными ионами; величина полной проводимости (сумма полож. и отрицат.) в среднем составляет охсоло 2ХЮ-4 эл. ст. ед. С высотою проводимость увеличивается, и на высоте около 8 км она примерно в 15 раз больше, чем у земной поверхности; в более высоких слоях атмосферы она увеличивается еще более, сначала плавно, а затем (как это мы заключаем на основании ряда косвенных соображений), довольно резким скачком, и на высотах в несколько десятков километров (80—100 км) она принимает значение в 101“ раз большее, чем у земной поверхности, то есть на этих высотах проводимость атмосферы примерпо такова же, как и проводимость влажной почвы. Эти хорошо проводящие слои атмосферы играют весьма большую роль в условиях распространения радиоволн и носят в радиотехнике пазвание слоя Хевисайда (смотрите XXXV, 377); они также имеют существенное значение в некоторых явлениях земного магнетизм а. Основным непосредственным методом изучения проводимости этих слоев являются наблюдения над условиями отражения и поглощения в этих слоях радиоволн малой длины.

На ряду с ионизацией и проводимостью атмосферы следующим весьма важным фактором во всех явлениях А. э. является то обстоятельство, что земля зарялсепа до весьма высокого отрицательного потенциала около— 10“ вольт, так что ее заряд составляет около

1,6ХЮ15 эл. ст. ед.=0,53Х Ю“скулона; вопрос о причинах, обусловливающих и поддерлшвающих этот отрицательный заряд земли, до настоящего времени (1934) еще пе решен, и решение его является одпой из основных задач учепия об А. э.

Под действием заряда земли и зарядов, содерлсащихся в атмосфере в виде ионов, последняя представляет собою электрическое поле, т.-о. пространство, в котором действуют электрические силы и калсдая точка которого может быть охарактеризована электрическим потенциалом (смотрите электричество, LII, 13/14): последний в среднем для всей земли равен около 120 вольт/.v.. В отдельных различных точках земной поверхности поло меняется довольно сильно, причем как в экваториальной, так и в полярных об-

21Д1

ластях напряжение поля меньше, чем в средних широтах. В каждой данной точке в течение года напряжение ноля достигает наибольших значений около января—февраля, а наименьших в июне—августе; особенно интересен суточный ход с основным минимумом в утренние часы (4—5А) и максимумом в вечерние. Па ряду с периодическими колебаниями электрическое иоле испытывает черезвычайно резкие непериодические колебания, обусловленные действием проносящихся в атмосфере электрических зарядов и связанные с целым рядом метеорологических факторов (туман, облака, осадки и тому подобное.); особенно больших значений, как положительных, так и отрицательных, оно достигает во время гроз, когда его напряжение в отдельные моменты измеряется сотнями тысяч вольт на 1 метр.

С высотою напряжение эл-го поля изменяется и уже на высоте в несколько километров (8—9 км) практически становится близким к нулю. Наблюдения последних лет, произведенные до высоты 20 км, показывают, что при переходе из тропосферы .в стратосферу напряжение поля довольно заметно увеличивается (до 30—40 в/м) и затем опять постепенно уменьшается почти до нуля па высоте около 20 км. Из характера изменения электрического поля с высотой мы заключаем, что в атмосфере и преимущественно в ее нижних слоях сосредоточены положительные объёмные заряды; то есть, что суммы положительных и отрицательных зарядов, содержащихся в форме заряженных частичек в единице объёма, не равны, а именно положительных больше. Для нижних слоев атмосферы сроднее значение объёмного заряда определяется в 10~7 эл. ст. еж./см3, что составляет величину, приближенно равную 200 элементарным зарядам; во время гроз эти заряды сильно возрастают и внутри грозового облакадостигают значений порядка 100.000 элементарных зарядов на кб. см. Объемные заряды, перемещаясь в результате движения воздуха, создают в атмосфере т. ваз. конвективные токи и зачастую обусловливают те постоянные и иногда резкие колебания, которым подвержено электрическое поле; по своей величине эти токи невелики. Гораздо большее значение имеет вертикальный ток проводимости, который всегда существует в атмосфере в результате того, что под действием сил электрического ноля

4-ионы устремляются к отрицательно заряженной Земле, а —ионы в обратном направлении. Среднее значение вертикального тока проводимости порядка ЗХЮ-10 ши/см1, и он отличается относительным постоянством. Значительно большей силы достигают, однако, те электрические токи, которые возникают в результате переноса зарядов атмосферными осадками. Эти токи, имея при обложных дождях плотность порядка 10-“—10-“ амп/cjw2, при осадках во время шквалов и гроз достигают значений в Ю-1 амп/слгС Под действием ряда факторов все виды атмосферных осадков (дожди, снег, град и т. и.) заряжены, причем заряд отдельных капелек дождя или снежинок колеблется в весьма широких пределах. Падение этих заря-жеипых частиц и обусловливает эти токи.

Поскольку проводимость воздуха зависит от степени запыленности его, а напряжение электрического поля от содержащихся в ном объёмных зарядов, тот общий характер изменения электрич. свойств с высотой, который был указан выше, выявляется в пределах тропосферы, особенно в нижних слоях, только в средних выводах. В каждом отдельном случае, в зависимости от характера распределил пыли в атмосфере, а также в зависимости от интенсивности процессов перемешивания атмосферы ипроцессов конденсации водяных паров в пей (образование облачности) и ряда других причин, мы можем наблюдать картину, весьма отличную от указанной выше.

Электрические свойства атмосферы естественно оказывают определенное действие на жизнь растительного и животного мира, на организм человека и па некоторые из осуществляемых последним технических мероприятий. Здесь прежде всего следует отметить установленное влияние степени ионизации на организм человека и вероятное влияние па растительный мир, изучаемое рядом исследователей, но в деталях это влияние еще недостаточно изучено. Весьма важно то влияние, которое оказывают грозы по только в смысле прямых ударов молнии в наши здания и сооружения (линии связи, передачи электрической энергии, пороховые погреба и проч.), а также и через посредство тех перенапряжений в про-водах высоковольтной передачи электрической энергии, которые возникают в результате резких изменений электрического поля во время грозовых разрядов; не менее существенна мешающая роль последних в технике радиосвязи. О значении слоя высокой проходимости на больших высотах хорошо известно всем: только благодаря его существованию возможна радиосвязь сравнительно малыми мощностями на черезвычайно большие расстояния. Наконец, при воздушных полетах аэростатов, как свободных, так и привязных, приходится считаться с теми процессами электризации, которые при этом происходят, и с общим электрическим состоянием атмосферы во избежание возможного самовозгорания водорода, наполняющего аэростат.

Указанными примерами, конечно, далеко не исчерпывается влияние электрических явлений в природе на жизнедеятельность человека.

Литература. Венндорф, «Атмогферпоо электричество», 1Я34 (перевод глав из XXV. Ilandbuch d. Ехрс-rimentalphysik, 1928) Б. Гесс. «Ионизация а .мосферы и ее вричи ы.1», 1SH0; К Кел>р. «Arvo ф.риое элч.-миче-стко>, 192); К. Kohler, «Einfuhrung in die atmospharische Elektrizitats 1 9; II. Тверской ..Kyi- re ф а >ни“, 1932; В. Оболенский, «М,георнл,гш<», 1927; его же, .Ос овы метеорологии», 1931; В. Chctuvcau, «Elecfricite acmo-9-herique», I—III, 1922—1924; E. Mathias. «Traifce delectricite atmospherique efc tollarique“, 1924.

II. Тверской.