Современная наука располагает относительно большим запасом знаний об атмосфере Земли и разнообразии происходящих в ней процессов. Казалось бы, все это должно быть хорошо исследовано и дотошно смоделировано в излюбленных учеными лабораториях. Однако на поверку оказывается, что до настоящего момента нет четкой, однозначной картины такого явления, как атмосферное электричество. Наоборот, есть несколько моделей, каждая из которых имеет свои плюсы и минусы.
Немного истории
Человеком, стоявшим у истоков исследования и научно подтвердившим, собственно, существование данного явления, является всемирно знаменитый идеолог становления Соединенных Штатов — Бенджамин Франклин. Действительно, атмосферное электричество как физическое явление находилось до него в стадии гипотетических выкладок. Один из отцов-основателей Америки первым показал его присутствие в воздухе, а также объяснил причины возникновения молний. Самое занимательное в данной истории — тот факт, что Франклин использовал для доказательства бумажного змея со специальной заостренной проволокой на нем.
Собирая таким образом электричество, он получал искровой разряд, размыкая ключ в простейшей схеме заземления. Нехитрый способ доказательства наличия в атмосфере заряженных частиц, однако, ничуть не умаляет заслуг этого великого политика, а также ученого в открытии рассматриваемого здесь явления природы. В дальнейшем физики по всему миру стали подтверждать полученные результаты собственными экспериментами подобного рода.
Что такое атмосферное электричество?
Это совокупность разнообразных процессов, вызываемых наличием заряженных частиц в воздухе, окружающем Землю. Ученые исследуют такие явления, как электрическое поле атмосферы, его напряженность, токи, существующие в связи с этим, объемные заряды и многие другие моменты. Например, метеорологические, экологические факторы, влияние на различные отрасли антропологической активности человечества: авиацию, промышленность, сельское хозяйство и т. д.
Удобная физическая аналогия
Наша планета в очень грубом приближении является огромным сферическим конденсатором. Это простейший прибор, способный сохранять электрическую энергию. В качестве обкладок гигантского конденсатора можно рассматривать ионосферу и саму земную поверхность. При этом изолятором выступает воздух, который в обычных условиях обладает очень низкой электрической проводимостью. Поверхность Земли заряжена отрицательно, а ионосфера — положительно.
Как и между обкладками обычного конденсатора, здесь формируется электрическое поле, обладающее совершенно уникальными характеристиками. Например, его напряженность максимальна у земной поверхности, экспоненциально уменьшаясь с увеличением высоты. К слову, уже в 10 километрах над уровнем моря ее значение в 30 раз ниже. Данное поле в основном и формирует все многообразие явлений, объединенных под общим названием «атмосферное электричество».
Это одна из распространенных в современном научном мире моделей. Она называется теорией Вильсона. Также имеется гипотеза, выдвинутая советским ученым Френкелем, согласно которой ионосфера не играет сколько-нибудь существенной роли в создании электрического поля. Он считал, что оно формируется большей частью за счет взаимодействия земной поверхности и облаков, а также их поляризации.
Природный генератор
Но если возвращаться к конденсаторной модели, которая предоставляет не только хорошую аналогию, но и теоретические возможности для создания источников практически даровой энергии, то атмосферное электричество проявляется всего лишь в нескольких основных процессах. Рассмотрим важнейшие.
В первую очередь это так называемые токи утечки. Что касается обычного конденсатора, это паразитные явления, снижающие его эффективность в сохранении заряда. В случае с атмосферой это конвективные токи, образующиеся, например, в ураганных и грозовых областях. Их сила достигает десятков тысяч ампер, и, несмотря на это, разность потенциалов между земной поверхностью и ионосферой не испытывает каких-либо значительных изменений, сохраняя, естественно, и напряженность поля. В электрической цепи, содержащей конденсатор, такое возможно только при наличии дополнительного генератора.
Следуя логике, стоит предположить наличие чего-то подобного и в случае с атмосферой Земли. И действительно, такой источник энергии имеется. Это магнитное поле нашей планеты, которое, вращаясь вместе с ней в потоке солнечного излучения, создает мощнейший генератор. Кстати, имеется идея использования его энергии, задействуя как раз атмосферное электричество. Бесплатная энергия — это невероятно мощный стимул развития научной мысли во всех областях человеческой деятельности. Не обошла эта тенденция и физику атмосферных явлений. Но об этом - чуть позже.
Грозы
Следующий интересный и важный процесс, происходящий в атмосфере, — это искровые газовые разряды, сопровождающие грозы. Как и конвективные токи, это паразитное явление с точки зрения конденсаторной модели электрического поля, создаваемого между поверхностью Земли и ионосферой. И этим, к сожалению, далеко не ограничивается негативное влияние разрядных явлений в атмосфере. Здесь следует отметить опасность молний для наземных объектов антропогенной деятельности, включая разрушительное воздействие ударных и тепловых перегрузок, сопровождающих этот грозный феномен.
Молнии
Очевидность электрической природы молний, так изящно доказанная Франклином, формирует один закономерный вопрос. Скорее всего, он волновал еще современников отца-основателя. Итак, атмосферное электричество — это высокое или низкое напряжение?
Согласно уже упомянутой конденсаторной модели, разность потенциалов между обкладками планетарного масштаба должна формировать электрическое поле. Действительно, отрицательно заряженная поверхность Земли с одной стороны и положительно заряженная ионосфера формируют поле большой напряженности. Электрические явления в облаках создают огромные объемные заряды как раз в нижней части атмосферы. Поэтому напряженность поля у земной поверхности намного больше, чем, к примеру, на высоте 10 км.
Очевидно, электрическое поле такой интенсивности формирует мощные разрядные токи, которые неискушенный наблюдатель может видеть во время обыкновенной грозы в средних широтах. Поэтому напряжение в канале разряда высокое.
Огни Святого Эльма
Кроме искрового, в атмосфере наблюдается коронный разряд, который, в силу исторической традиции, называется огнями Святого Эльма. Выглядит это как кисти или светящиеся пучки на концах высоких предметов, вроде мачт кораблей, башен и т. п. Причем наблюдать это явление можно только в темноте. Причиной появления огней Святого Эльма является повышение напряженности электрического поля окружающей среды, например, при приближении или во время грозы, шторма, метели и т. д.
Подобный разряд можно довольно легко получить в домашних условиях. Действительно, атмосферное электричество своими руками — дело совсем несложное. Например, можно снять с себя синтетический свитер и начать подносить к нему иголку. С определенного расстояния на ее кончике появится разряд, который можно хорошо наблюдать в полной темноте.
Шаровая молния
Еще одно грозовое проявление — газовый разряд, обычно имеющий сферическую форму. Речь идет о шаровой молнии, которая представляет собой уникальный и очень редкий природный феномен. Ученые до сих пор не могут сойтись в адекватном теоретическом обосновании существования этого явления. А вплоть до 2012 года вообще не было документальных подтверждений реальности шаровых молний. Как бы то ни было, это еще одна загадка земной атмосферы, над которой до сих пор бьются ученые.
Экологический фактор
Выше уже говорилось о влиянии молний на различные виды деятельности человека. Атмосферное электричество как экологический фактор представляет собой очень важный момент, на котором также следует остановиться. С точки зрения освоения человеком разнообразных ресурсов, предоставляемых ему планетой Земля, воздушная среда дает ему возможность поддерживать существование в качестве вида.
Наличие электрического поля в атмосфере имеет множество неприятных последствий для антропогенной деятельности. Некоторые из них довольно безобидны, но многие проявления заставляют лучшие инженерные умы придумывать эффективные способы усмирения грозных сил природы.
Безопасность жизнедеятельности
Атмосферное электричество и защита от него — важнейший вопрос, который следует обсудить в контексте экологии. Естественно, самые опасные — мощнейшие искровые разряды, вроде молнии. Причем это касается не только наземной их разновидности. Внутриоблачные молнии представляют определенную угрозу для гражданской и военной авиации. Так или иначе, все разрядные атмосферные явления подлежат пристальному наблюдению и предотвращению возможного ущерба. Этим занимаются специальные инженерные службы в той же авиации, кораблестроении или при молниезащите построек, энергетических станций и т. п.
Бесплатная энергия
Напоследок вернемся к вопросу практически бесплатной энергии, которую может предоставить атмосферное электричество. Тесла, знаменитый повелитель молний, провел огромное количество исследований с целью практического использования данного природного явления. Его труды не пропали зря. Современные инженеры патентуют различные способы добычи энергии в связи с фактом наличия мощного электрического поля вблизи земной поверхности.
Ярким примером может служить схема с вертикально установленным заземленным проводником, между верхним и нижним концами которого появляется разность потенциалов по причине все того же наличия поля. Эту энергию, создаваемую им, можно извлекать, формируя на верхнем конце проводника контролируемый коронный разряд. В итоге в проводнике можно поддерживать ток, а значит, и смело подключать к нему потребителя.
Таким образом, атмосферное электричество, несмотря на имеющиеся угрозы нормальной антропогенной активности, также открывает и великолепные перспективы для обеспечения всего человечества практически бесплатной энергией.
