Электрические токи в атмосфере и грозы

Министерство образования  и науки Российской Федерации 
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение  
высшего профессионального образования 
«Российский государственный профессионально-педагогический университет»

Институт социологии и права

Кафедра права

 

 

 

 

 

 

Реферат 

по дисциплине

«Физика»

На тему: «Электрические токи в атмосфере и грозы».

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Екатеринбург 2011

 

Соджержание:

 

1. Введение…………………………………………………………………………..3
2. Атмосферное электричество, история развития науки об атмосферном электричестве……………………………………………………………………..3
3. Электрическое поле атмосферы…………………………………………………5
4. Электрическая проводимость атмосферы………………………………………6
5. Электрический ток в атмосфере и «Генераторы» атмосферного

электричества…………………………………………………………………………6

6. Гроза. Объяснение явления и механизм образования. Погодные явления под грозами…………………………………………………………………………….8
7. Молния и ее образование……………………………………………………….15
8. Полярное сияние…………………………………………………………………20
9. Список литературы………………………………………………………………23

 

 

Введение.

Тема моего реферата «Электрические токи в атмосфере и грозы». Данную тему я выбрала потому, что  эти явления интересны мне и я бы хотела подробнее узнать и изучит их.

В своей работе я расскажу о таких явлениях как атмосферное электричество. А о таких явлениях как гроза и молния и полярное сияние расскажу подробнее, с использованием иллюстраций. 

 

 

 

 

 

Атмосферное электричество

 

 

Атмосферное электричество — совокупность электрических явлений в атмосфере, а также раздел физики атмосферы, изучающий эти явления. При исследовании атмосферного электричества изучают электрическое поле в атмосфере, её ионизацию и электрическая проводимость, электрические токи в ней, объёмные заряды, заряды облаков и осадков, грозовые разряды и многое другое. Все проявления атмосферного электричества тесно связаны между собой и на их развитие сильно влияют локальные метеорологические факторы. К области атмосферного электричества обычно относят процессы, происходящие в тропосфере и стратосфере.

 

Начало изучению атмосферного электричества было положено в XVIII веке американским учёным Бенджамином Франклином, экспериментально установившим электрическую природу молнии, и русским учёным Михаилом Ломоносовым — автором первой гипотезы, объясняющей электризацию грозовых облаков. В XX веке были открыты проводящие слои атмосферы, лежащие на высоте более 60—100 км (ионосфера, магнитосфера Земли), установлена электрическая природа полярных сияний и обнаружен ряд других явлений. Развитие космонавтики позволило начать изучение электрических явлений в более высоких слоях атмосферы прямыми методами.

 

Две основные современные теории атмосферного электричества были созданы английским учёным Ч. Вильсоном и советским  учёным Я. И. Френкелем. Согласно теории Вильсона, Земля и ионосфера играют роль обкладок конденсатора, заряжаемого грозовыми облаками. Возникающая между обкладками разность потенциалов приводит к появлению электрического поля атмосферы. По теории Френкеля, электрическое поле атмосферы объясняется всецело электрическими явлениями, происходящими в тропосфере, — поляризацией облаков и их взаимодействием с Землёй, а ионосфера не играет существенной роли в протекании атмосферных электрических процессов.

 

В приземном слое атмосферы небольшая  часть молекул подвергается ионизации  под воздействием космических лучей, излучения радиоактивных горных пород и продуктов распада радия (в основном радона) в самом воздухе. В процессе ионизации атом теряет электрон и приобретает положительный заряд. Свободный электрон быстро соединяется с другим атомом, образуя отрицательно заряженный ион. Такие парные положительные и отрицательные ионы имеют молекулярные размеры. Молекулы в атмосфере стремятся группироваться вокруг этих ионов. Несколько молекул, объединившихся с ионом, образуют комплекс, называемый обычно «легким ионом».

 

В атмосфере присутствуют также  комплексы молекул, известные в  метеорологии под названием ядер конденсации, вокруг которых при  насыщении воздуха влагой начинается процесс конденсации. Эти ядра представляют собой частички соли и пыли, а  также загрязняющих веществ, поступающих в воздух от промышленных и других источников. Легкие ионы часто присоединяются к таким ядрам, образуя «тяжелые ионы».

 

Под воздействием электрического поля легкие и тяжелые ионы перемещаются из одних областей атмосферы в другие, перенося электрические заряды. Хотя обычно атмосфера не считается электропроводной средой, она все же обладает небольшой проводимостью. Поэтому оставленное на воздухе заряженное тело медленно утрачивает свой заряд.

 

Проводимость атмосферы возрастает с высотой из-за увеличения интенсивности космического излучения, уменьшения потерь ионов в условиях более низкого давления (и, следовательно, при большем среднем свободном пробеге), а также из-за меньшего количества тяжелых ядер. Проводимость атмосферы достигает максимальной величины на высоте ок. 50 км, т.н. «уровне компенсации».

 

Известно, что между поверхностью Земли и «уровнем компенсации» постоянно  существует разность потенциалов в  несколько сотен киловольт, т.е. постоянное электрическое поле. Выяснилось, что разность потенциалов между некоторой точкой, находящейся в воздухе на высоте нескольких метров, и поверхностью Земли очень велика – более 100 В. Атмосфера имеет положительный заряд, а земная поверхность заряжена отрицательно. Поскольку электрическое поле – область, в каждой точке которой имеется некоторое значение потенциала, можно говорить о градиенте потенциала. В ясную погоду в пределах нижних нескольких метров напряженность электрического поля атмосферы почти постоянна.

 

Из-за различий электропроводности воздуха в приземном слое градиент потенциала подвержен суточным колебаниям, ход которых существенно меняется от места к месту. При отсутствии локальных источников загрязнения воздуха – над океанами, высоко в горах или в полярных районах – суточный ход градиента потенциала в ясную погоду одинаков. Величина градиента зависит от всемирного, или среднего гринвичского, времени (UТ) и достигает максимума в 19 ч.

 

Э.Эплтон предположил, что этот максимум электропроводности, вероятно, совпадает  с наибольшей грозовой активностью в планетарном масштабе. Разряды молний во время гроз переносят отрицательный заряд к поверхности Земли, поскольку основания наиболее активных кучево-дождевых грозовых облаков обладают значительным отрицательным зарядом. Верхние части грозовых облаков обладают положительным зарядом, который, по расчетам Хольцера и Саксона, во время гроз стекает с их вершин. Без постоянного пополнения заряд земной поверхности был бы нейтрализован за счет проводимости атмосферы. Предположение о том, что разность потенциалов между земной поверхностью и «уровнем компенсации» поддерживается благодаря грозам, подкрепляется статистическими данными. Например, максимальное число гроз отмечается в долине р. Амазонки. Чаще всего грозы бывают там в конце дня, т.е. ок. 19 ч среднего гринвичского времени, когда градиент потенциала максимален в любой точке земного шара. Более того, сезонные вариации формы кривых суточного хода градиента потенциала тоже находятся в полном соответствии с данными о глобальном распределении гроз. Некоторые исследователи утверждают, что источник электрического поля Земли, возможно, имеет внешнее происхождение, поскольку электрические поля, как полагают, существуют в ионосфере и магнитосфере. Этим обстоятельством, вероятно, объясняется возникновение очень узких удлиненных форм полярных сияний, похожих на кулисы и арки.

 

Благодаря наличию градиента потенциала и проводимости атмосферы между  «уровнем компенсации» и поверхностью Земли начинают двигаться заряженные частицы: положительно заряженные ионы – по направлению к земной поверхности, а отрицательно заряженные – вверх от нее. Сила этого тока составляет около 1800 А. Хотя эта величина кажется большой, необходимо помнить, что она распределяется по всей поверхности Земли. Сила тока в столбе воздуха с площадью основания 1 м2 составляет лишь 4ґ10–12 А. С другой стороны, сила тока при разряде молнии может достигать нескольких ампер, хотя, конечно, такой разряд имеет малую продолжительность – от долей секунды до целой секунды или немного больше при повторных разрядах. Электрическая проводимость атмосферы. Электрическое состояние атмосферы в значительной степени определяется её электрической проводимостью, которая создаётся ионами, находящимися в атмосфере. Наличие ионов в атмосфере и является причиной потери заряда изолированным заряженным телом при соприкосновении с воздухом (явление, открытое в конце 18 в. французским физиком Ш. Кулоном). Электрическая проводимость  зависит от количества ионов, содержащихся в единице объёма (их концентрации), и их подвижности. Основной вклад вносят лёгкие ионы, обладающие наибольшей подвижностью u > 10-5м2*сек-1*в-1.

Электрический ток — упорядоченное некомпенсированное движение свободных электрически заряженных частиц, например, под воздействием электрического поля. Такими частицами могут являться: в проводниках — электроны, в электролитах — ионы (катионы и анионы), в газах - ионы и электроны, в вакууме при определенных условиях - электроны, в полупроводниках — электроны и дырки (электронно-дырочная проводимость).

 

Электрическое поле атмосферы.

В тропосфере все облака и осадки, туманы, пыль обычно электрически заряжены; даже в чистой атмосфере постоянно  существует электрическое поле. Исследования в зонах «хорошей» погоды, начатые  в 19 в., показали, что у земной поверхности существует стационарное электрическое поле с напряжённостью Е, в среднем равной около 130 в/м. Земля при этом имеет отрицательный заряд, равный около 3 105 к, а атмосфера в целом заряжена положительно. Однако при осадках и особенно грозах, метелях, пылевых бурях и т. п. напряжённость поля может резко менять направление и величину, достигая иногда 1000  в/м. Наибольшие значения Е имеет в средних широтах, а к полюсам и экватору убывает. В зонах «хорошей» погоды Е с высотой в целом уменьшается, например над океанами. Вблизи земной поверхности, в т. н. слое перемешивания толщиной 300—3000 м, где скапливаются аэрозоли, Е может с высотой возрастать. Выше слоя перемешивания Е убывает с высотой по экспоненциальному закону и на высоте 10  км не превышает несколько в/м. Это убывание Е связано с тем, что в атмосфере содержатся положительные объёмные заряды, плотность которых также быстро убывает с высотой. Разность потенциалов между Землёй и ионосферой составляет 200—250 кв.

 

      Напряжённость электрического поля Е меняется во времени. Наряду с локальными суточными и годовыми вариациями Е отмечаются синхронные для всех пунктов суточные и годовые вариации Е — т.н. унитарные вариации. Унитарные вариации связаны с изменением электрического заряда Земли в целом, локальные — с изменениями величины и распределения по высоте объёмных электрических зарядов в атмосфере в данном районе.

 

     

Электрическая проводимость атмосферы.

Электрическое состояние атмосферы  в значительной степени определяется её электрической проводимостью l, которая создаётся ионами, находящимися в атмосфере. Наличие ионов в атмосфере и является причиной потери заряда изолированным заряженным телом при соприкосновении с воздухом (явление, открытое в конце 18 в. французским физиком Ш. Кулоном). Электрическая проводимость l зависит от количества ионов, содержащихся в единице объёма (их концентрации), и их подвижности. Основной вклад в l вносят лёгкие ионы, обладающие наибольшей подвижностью u > 10-5м2 сек-1 в-1.

      Электрическая проводимость атмосферы очень мала и может сравниться с проводимостью хороших изоляторов. У земной поверхности в среднем l = (1 - 2)·10-18 ом-1 м-1 и увеличивается с высотой примерно по экспоненциальному закону; на высоте около 30 км l достигает значений, почти в 150 раз больших, чем у земной поверхности. Выше проводимость увеличивается ещё более, причём особенно резко с высот, до которых проникают ионизующие излучения Солнца и где начинается образование ионосферы, проводимость которой приблизительно в 1012 раз больше, чем в атмосфере вблизи земной поверхности.

 

      Основные ионизаторы  атмосферы: 1) космические лучи, действующие  во всей толще атмосферы; 2) излучение  радиоактивных веществ, находящихся  в Земле и воздухе; 3) ультрафиолетовое  и корпускулярное излучения Солнца, ионизующее действие которых заметно проявляется на высотах более 50—60 км. Концентрация легких; ионов возрастает с увеличением интенсивности ионизации и уменьшением концентрации частиц в атмосфере, поэтому концентрация лёгких ионов растет с высотой. Этот факт в сочетании с увеличением подвижности ионов при уменьшении плотности воздуха объясняет характер изменения l и Е с изменением высоты.

 

      Электрический ток в атмосфере.

Движение ионов под действием  сил электрического поля создаёт  в атмосфере вертикальный ток проводимости in = El, со средней плотностью, равной около (2—3)·10-12 а/м2. Т. о., в зонах «хорошей» погоды сила тока на всю поверхность Земли составляет около 1800 а. Время, в течение которого заряд Земли за счёт токов проводимости атмосферы уменьшился бы до 1/е » 0,37 от своего первоначального значения, равно ~ 500 сек. Т. к. заряд Земли в среднем не меняется, то очевидно, что существуют «генераторы» Атмосферного электричества, заряжающие Землю. Помимо токов проводимости, в атмосфере текут значительные электрические диффузионные и конвективные токи.

 

      «Генераторы» атмосферного электричества.

 «Генераторами» Атмосферного  электричества в зонах нарушенной  погоды являются пылевые бури  и извержения вулканов, метели  и разбрызгивание воды прибоем и водопадами, облака и осадки, пар и дым промышленных источников и т. д. При почти всех перечисленных явлениях электризация может проявляться весьма бурно: извержение вулканов, песчаные бури и даже метели приводят иногда к образованию молний, всё же наибольший вклад в электризацию атмосферы вносят облака и осадки.

 

      По мере укрупнения  частиц облака, увеличения его  толщины, усиления осадков из  него растет его электризация. Так, в слоистых и слоисто-кучевых  облаках плотность объёмных зарядов  r » 3 10-12 к/км3, что приблизительно в 10 раз превышает их плотность в чистой атмосфере, а в грозовых облаках r доходит до 3·10-8 к/м3. Облака могут быть заряжены положительно в верхней части и отрицательно в нижней, но могут иметь и противоположную полярность, а также преимущественный заряд одного знака. Плотность тока осадков на Землю из слоисто-дождевых облаков ioc = 10-12 а/м2, в то время как из грозовых  ioc = 10-9а/м2. Полная сила тока, текущего на Землю от одного грозового облака, в средних широтах равна около —(0,01—0,1) а, а ближе к экватору до —(0,5—1,0) а. Сила токов, текущих в самих этих облаках, в 10—100 раз больше силы токов, притекающих к Земле. Т. о., гроза в электрическом отношении подобна короткозамкнутому генератору.