Помимо градиента потенциала, можно измерять и другую величину — ток в атмосфере. Плотность его мала: через каждый квадратный метр, параллельный земной поверхности, проходит около 10 -6 мка. Воздух, по-видимому, не идеальный изолятор; из-за этой проводимости от неба к земле все время течет слабый ток, вызываемый описанным нами электрическим полем.

Почему атмосфера имеет проводимость? Потому что в ней среди молекул воздуха попадаются ионы, например, молекулы кислорода, порой снабженные лишним электроном, а порой лишенные одного из своих. Эти ионы не остаются одинокими; благодаря своему электрическому полю они обычно собирают близ себя другие молекулы. Каждый ион тогда становится маленьким комочком, который вместе с другими такими же комочками дрейфует в поле, медленно двигаясь вверх или вниз, создавая ток, о котором мы говорили.

Откуда же берутся ионы ? Сперва думали, что ионы создает радиоактивность Земли. (Было известно, что излучение радиоактивных веществ делает воздух проводящим, ионизуя молекулы воздуха.) Частицы, выходящие из атомного ядра, скажем. Β-лучи, движутся так быстро, что они вырывают электроны у атомов, оставляя за собой дорожку из ионов. Такой взгляд, конечно, предполагает, что на больших высотах ионизация должна была бы становиться меньше, потому что вся радиоактивность — все следы радия, урана, натрия и т. д.— находится в земной пыли.

Чтобы проверить эту теорию, физики поднимались на воздушных шарах и измеряли ионизацию (Гесс, в 1912 г.). Выяснилось, что все происходит как раз наоборот — ионизация на единицу объема с высотой растет ! (Прибор был похож на изображенный на фиг. 9.3. Две пластины периодически заряжались до потедциала V. Вследствие проводимости воздуха они медленно разряжались; быстрота разрядки измерялась электрометром.) Этот непонятный результат был самым потрясающим открытием во всей истории атмосферного электричества. Открытие было столь важно, что потребовало выделения новой отрасли науки — физики космических лучей. А само атмосферное электричество осталось среди явлений менее удивительных. Ионизация, видимо, порождалась чем-то вне Земли; поиски этого неземного источника привели к открытию космических лучей. Мы не будем сейчас говорить о них и только скажем, что именно они поддерживают снабжение воздуха ионами. Хотя ионы постоянно уносятся, космические частицы, врываясь из мирового пространства, то и дело сотворяют новые ионы.

Чтобы быть точными, мы должны отметить, что, кроме ионов, составленных из молекул, бывают и другие сорта ионов. Мельчайшие комочки почвы, подобно чрезвычайно тонким частичкам пыли, плавают в воздухе и заряжаются. Их иногда называют «ядрами». Скажем, когда в море плещутся волны, мелкие брызги взлетают в воздух. Когда такая капелька испарится, в воздухе остается плавать маленький кристаллик NaCl. Затем эти кристаллики могут привлечь к себе заряды и стать ионами; их называют «большими ионами».

Малые ионы, т. е. те, которые создаются космическими лучами, самые подвижные. Из-за того, что они очень малы, они быстро проносятся по воздуху, со скоростью около 1 см/сек в поле 100 в/м, или 1 в/см. Большие и тяжелые ионы движутся куда медленнее. Оказывается, что если «ядер» много, то они перехватывают заряды от малых ионов. Тогда, поскольку «большие ионы» движутся в поле очень медленно, общая проводимость уменьшается. Поэтому проводимость воздуха весьма переменчива — она очень чувствительна к его «засоренности». Над сушей этого «сора» много больше, чем над морем, ветер подымает с земли пыль, да и человек тоже всячески загрязняет воздух. Нет ничего удивительного в том, что день ото дня, от момента к моменту, от одного места к другому проводимость близ земной поверхности значительно меняется. Электрическое поле в каждой точке над земной поверхностью тоже меняется, потому что ток, текущий сверху вниз, в разных местах примерно одинаков, а изменения проводимости у земной поверхности приводят к вариациям поля.

Проводимость воздуха, возникающая в результате дрейфа ионов, также быстро увеличивается с высотой. Происходит это по двум причинам. Во-первых, с высотой растет ионизация воздуха космическими лучами. Во-вторых, по мере падения плотности воздуха увеличивается свободный пробег ионов, так что до столкновения им удается дальше пройти в электрическом поле. В итоге на высоте проводимость резко подскакивает.

Сама плотность электрического тока в воздухе равна всего нескольким микромикроамперам на квадратный метр, но ведь на Земле очень много таких квадратных метров. Весь электрический ток, достигающий земной поверхности, равен примерно 1800 а. Этот ток, конечно, «положителен» — он переносит к Земле положительный заряд. Так что получается ток в 1800 а при напряжении 400 000 в. Мощность 700 Мвт!

При таком сильном токе отрицательный заряд Земли должен был бы вскоре исчезнуть. Фактически понадобилось бы только около получаса, чтобы разрядить всю Землю. Но с момента открытия в атмосфере электрического поля прошло куда больше получаса. Как же оно держится? Чем поддерживается напряжение? И между чем и чем оно? На одном электроде Земля, а что на другом? Таких вопросов множество.

Земля заряжена отрицательно, а потенциал в воздухе положителен. На достаточно большой высоте проводимость так велика, что вероятность изменений напряжения по горизонтали становится равной нулю. Воздух при том масштабе времени, о котором сейчас идет речь, фактически превращается в проводник. Это происходит на высоте около 50 км. Это еще не так высоко, как то, что называют «ионосферой», где имеется очень большое количество ионов, образуемых за счет фотоэффекта от солнечных лучей. Для наших целей можно, обсуждая свойства атмосферного электричества, считать, что на высоте примерно 50 км воздух становится достаточно проводящим и там существует практически проводящая сфера, из которой вытекают вниз токи. Положение дел изображено на фиг. 9.4. Вопрос в том, как держится там положительный заряд. Как он накачивается обратно? Раз он стекает на Землю, то должен же он как-то перекачиваться обратно? Долгое время это было одной из главных загадок атмосферного электричества.

Любая информация на этот счет может дать ключ к загадке или по крайней мере хоть что-то сообщить о ней. Вот одно интересное явление: если мы измеряем ток (а он, как мы знаем, устойчивее, чем градиент потенциала), скажем над морем, и при тщательном соблюдении предосторожностей, очень аккуратно все усредняем и избавляемся от всяких ошибок, то мы обнаруживаем, что остаются все же какие-то суточные вариации. Среднее по многим измерениям над океанами обладает временной вариацией примерно такой, какая показана на фиг. 9.5. Ток меняется приблизительно на ±15% и достигает наибольшего значения в 7 часов вечера по лондонскому времени. Самое странное здесь то, что, где бы вы ни измеряли ток — в Атлантическом ли океане, в Тихом ли или в Ледовитом, — его часы пик бывают тогда, когда часы в Лондоне показывают 7 вечера! Повсюду во всем мире ток достигает максимума в 19.00 по лондонскому времени, а минимума — в 4.00 по тому же времени. Иными словами, ток зависит от абсолютного земного времени, а не от местного времени в точке наблюдения. В одном отношенииэто все же не так уж странно; это вполне сходится с нашим представлением о том, что на самом верху имеется очень большая горизонтальная проводимость, которая и исключает местные изменения разности потенциалов между Землей и верхом. Любые изменения потенциала должны быть всемирными, и так оно и есть. Итак, теперь мы знаем, что напряжение «вверху» с изменением абсолютного земного времени то подымается, то падает на 15%.

Проводимость воздуха, свойство воздуха проводить электрический ток. П. а. создаётся атмосферными ионами и возрастает с повышением подвижности и концентрации последних. Исходя из этого П. а. возрастает с ростом чистоты и ионизации воздуха и уменьшением её плотности, что ведет к зависимости П. а. от метеорологических черт.

С ростом влажности, повышением концентрации частиц пыли, туманов и туч практически всех видов П. а. значительно уменьшается; лишь в грозовых тучах, где ионизация высока, П. а. может заметно возрастать. Под влиянием индустриальной загрязнённости П. а. в целом значительно уменьшается, в особенности очень сильно в городах, но кроме того в центре Атлантики она упала за 50-летний период практически в 2 раза. Ядерные взрывы заметно увеличивают П. а. Средняя величина удельной П. а. у поверхности Почвы 2,2?10-18 ом-1?м-1.

Она разна в различных пунктах Почвы и изменяется во времени. Дневная амплитуда колебаний П. а. над континентами образовывает около 20% от среднего, годовая до 30%; над океанами эти колебания меньше.

В чистой атмосфере П. а. растет с высотой по экспоненциальному закону, удельная П. а. доходит до 13?10-18 ом-1?м-1 на высоте 6 км и до 300?10-18 ом-1?м-1 на высоте 30 км. В ионосфере П. а. обусловлена электронами и многократно превосходит П. а. в тропосфере. Неспециализированная П. а. в слое от поверхности Почвы до ионосферы равна 0,5?10-2 ом-1.

Перемещения объёмных зарядов в воздухе (см. Атмосферное электричество) за счёт воздушных турбулентной диффузии и движений приводят к эффектам, родные к создаваемым П. а. в электрическом поле. Для характеристики этих эффектов вводят соответственно понятия конвективной и турбулентной проводимости.

Лит.: Чалмерс Дж. А., Атмосферное электричество, пер. с англ., Л., 1974; Имянитов И. М., методы и Приборы для изучения электричества воздуха, М., 1957, гл. 7; Имянитов И. М., Чубарина Е. В., Шварц Я. М., Электричество туч, Л., 1971.

И. М. Имянитов.

Читать также:

Атмосферное электричество. Молнии (рассказывает физик Владимир Бычков)

Атмосфера Земли в своем составе имеет нейтральные молекулы и атомы, положительные и отрицательные ионы и свободные электроны. Вследствие содержания электрически заряженных частиц атмосфера обладает электропроводностью. К числу основных возбудителей электрически заряженных частиц в атмосфере, или основных ионизаторов атмосферы, относятся космические лучи, солнечная и земная радиации. Космические лучи на 90% состоят из протонов, около 7% ядер гелия и на долю всех остальных элементов приходится 3%. Частицы космических лучей обладают очень большой энергией (от 1 до 10 12 ГэВ), при взаимодействии с атомами атмосферы эти частицы порождают обильные ливни электронов и мюзонов больших энергий, которые достигают земной поверхности и проникают в глубь земной коры, и мезонов меньших энергий, которые при движении в атмосфере распадаются. Быстрые электроны также теряют свою энергию в атмосфере в результате различных механизмов взаимодействия с веществом, и в конечном итоге возникают ливни свободных заряженных частиц, обеспечивающих электрическую проводимость атмосферы. Этот вид ионизации атмосферы на уровне моря создает 2– 4 млн пар ионов в 1 м 3 в 1 с. С ростом высоты примерно до 18 км мощность космической ионизации увеличивается пропорционально росту потока космических лучей.

Преобладающая часть солнечной радиации УФ- и рентгеновского диапазонов поглощается в верхних слоях атмосферы (выше 40 км). Этот процесс сопровождается ионизацией атомов атмосферы. Корпускулярное солнечное излучение также ионизирует атмосферу в пределах, сравнимых с теми, которые создаются электромагнитным излучением Солнца.

Земная радиация ионизирует атмосферу в непосредственной близости у поверхности Земли. Это происходит гл. образом за счет поступления из земной коры продуктов радиоактивного распада тяжелых элементов горных пород. Ионы образуются в приземном слое атмосферы, а затем турбулентным обменом и вертикальным движением переносятся до высоты 4-5 км. Земная радиация создает в приземном слое атмосферы над сушей около 5 млн пар ионов в 1 м 3 в 1 с, над поверхностью морей и океанов их концентрация несравненно меньше из-за ничтожно малого содержания радиоактивных веществ в морской воде.

В атмосфере ионы образуются также в результате ее загрязнения продуктами атомной промышленности и испытаний ядерного оружия, а также коротковолнового излучения звезд, за счет метеорных частиц и др. ионизаторов.

Наряду с ионизацией в атмосфере происходит обратный процесс – рекомбинация электронов и ионов, скорость которой неодинакова на различных высотах. Это же относится и к мощности ионизаторов. Поэтому вертикальный профиль концентрации ионов и электронов в атмосфере имеет сложный характер.

Электрическая проводимость атмосферного воздуха зависит от концентрации носителей положительных и отрицательных зарядов и их подвижности. Периодические колебания концентрации носителей заряда имеют весьма сложный характер, но обычно летом их концентрация вблизи земной поверхности выше, чем зимой. В суточнолм ходе наибольшая концентрация ионов обычно наблюдается в утренние часы, наименьшая – во второй половине дня.

ИОНОСФЕРА. Если по изменению температуры можно различить 5 слоев, то по степени ионизации газов воздуха атмосфера подразделяется на 4 слоя:D,E,F 1 иF 2 . Ионизация вызвана поглощением солнечной радиации. Ультрафиолет ионизирует молекулы О 2 иN 2 . Исчезновение электронов и ионов может происходить в результате их рекомбинации, а также перехода в другой объем, расположенный по соседству с данным или значительно дальше. Поэтому электронная концентрация в данном месте зависит от скорости ионизации, от скорости рекомбинации, а также от того, какое количество свободных электронов уйдет из данного единичного объема в единицу времени. Этот последний процесс наз. дивергенцией. Как видим, природа образования ионосферы и ее поведение зависят от многих причин.

Очевидно, что движение атмосферного газа влияет на изменение электронной концентрации в ионосфере. Но существуют и другие силы, которые приводят в движение электроны и перераспределяют электронную концентрацию в ионосфере. Это в первую очередь электрические и магнитные поля.

Первоначально ионосферные слои были обнаружены в экспериментах по распространению радиоволн. Излученные вверх радиоволны коротковолнового диапазона возвращались к Земле, будучи отраженными в верхней атмосфере неким электрическим экраном. Затем было установлено, что этим экраном служит слой электронов. Там же находится и слой положительных ионов, но они из-за их относительно большой массы

Рис. 24. Влияние слоя Е ионосферы на распространение радиоволн.

не влияют на распространение радиоволн. Один из таких слоев был обнаружен около высоты 300 км (эта высота меняется в зависимости от сезона, широты, времени суток и др. факторов). Это тот слой, который обозначен символом F. На высоте около 100 км был обнаружен еще один ионосферный слой, названный слоемЕ (слой Хивисайда). Этот слой подобен гигантскому зеркалу, от которого отражаются радиоволны. При этом они могут распространяться дальше, чем следовало бы ожидать, если бы они распространялись без отражения.

Затем было установлено, что ниже слоя Е также имеются свободные электроны, хотя и в меньших количествах, чем выше. Этот слой назван слоем D, и главное его влияние на распространение радиоволн заключается в том, что в нем радиоволны коротковолнового диапазона поглощаются.

Мощное воздействие электромагнитным излучением на ионосферу позволяет создать геофизическое оружие. США имеют на Аляске и в Норвегии антенные поля для высокочастотного электромагнитного воздействия на атмосферу, способного вызывать бури, разряды и т.д. В России также была одна такая установка, но зимой не слили воду из труб  все полопалось.

Электрическая проводимость воздуха была обнаружена еще Кулоном (в 1785 году) . Наблюдая потери электричества с изолированных проводников, он пришел к заключению, что часть электричества теряется не через изоляторы, а прямо в воздух. Способность любых материалов проводить электрический ток определяется наличием свободных зарядов в нем и возможностью их движения. Воздух в основном состоит из молекул - азота N 2 – с энергией ионизации 15,5эВ, кислорода - O 2 – 12,5эВ, воды - H 2 O – 12,6 эВ, углекислого газа - CO 2 – 14,4 эВ.

Энергия диссоциации молекул газов входящих в состав воздуха лежит в пределах 10 - 20 э.в. При комнатной температуре энергия теплового движения молекул значительно меньше и равна 0,025 э.в. Поэтому проводимость воздуха в естественных условиях определяется космическим излучением и естественным радиационным фоном, под действием которых в воздухе происходит образование свободных электронов, атомных и молекулярных ионов.

Обычно в воздухе образуется порядка 1 000 шт. электронов и ионов в 1 см 3 за 1 сек. Часть электронов и ионов быстро рекомбинирует, часть прилипает к нейтральным молекулам, образуя долгоживущие отрицательные ионы. В равновесии в объеме газа обычно находится до 10 9 ионов/м 3 . Подвижность электронов при нормальном давлении составляет? ? . Отсюда проводимость воздуха за счет естественной ионизации составляет ~10 - 1 4 Cм/м. Нужно отметить, что при нормальных условиях подвижность электронов в воздухе на три порядка превосходит подвижность ионов, как следствие электроны практически полностью определяют токопроводящие свойства. Поэтому дал ее будем в основном говорить об электронной проводимости.

Но з акон Ома применим для воздуха только при малых электрических полях. По мере увеличения напряжённости поля наступает насыщение по току, ток стремится к некоторому постоянному значению, – все образующиеся свободные электроны приходят на электроды. Подробно этот процесс описан в . На рис.1 пр иведена типовая вольтамперная характеристика газа. Линейный участок соответствует малым напряжённостям поля, при которых выполняется закон Ома, г оризонтальный участок соответствует току насыщения, э кспоненциальный рост тока на третьем участке соответствует возникновению лавинного механизма диссоциации молекул воздуха под действием электрического поля (подробнее описано ниже).

Любая равновесная газовая среда, включая воздух, описывается рядом параметров, используемых при расчетах характеристик электрического разряда в газе. Такими параметрами являются: концентрация молекул или атомов газа n , равная числу частиц в единице объема, давление газа р , температура газа Т . Эти величины связаны уравнением состояния.

Проводимость атмосферы

способность атмосферы проводить электрический ток. П. а. создаётся атмосферными ионами и возрастает с увеличением концентрации и подвижности последних. Поэтому П. а. увеличивается с ростом ионизации и чистоты атмосферы и уменьшением её плотности, что приводит к зависимости П. а. от метеорологических характеристик. С ростом влажности, увеличением концентрации частиц пыли, туманов и облаков почти всех видов П. а. уменьшается; только в грозовых облаках, где ионизация высока, П. а. может заметно увеличиваться. Под влиянием индустриальной загрязнённости П. а. в целом уменьшается, особенно сильно в городах, но даже в центре Атлантики она упала за 50 лет почти в 2 раза. Ядерные взрывы заметно увеличивают П. а. Средняя величина удельной П. а. у поверхности Земли 2,2․10 -18 ом -1 ․м -1 . Она различна в разных пунктах Земли и меняется во времени. Суточная амплитуда колебаний П. а. над континентами составляет около 20% от среднего, годовая до 30%; над океанами эти колебания меньше.

В чистой атмосфере П. а. растет с высотой по экспоненциальному закону, удельная П. а. доходит до 13․10 -18 ом -1 ․м -1 на высоте 6 км и до 300․10 -18 ом -1 ․м -1 на высоте 30 км. В ионосфере (См. Ионосфера) П. а. обусловлена электронами и во много раз превосходит П. а. в тропосфере. Общая П. а. в слое от поверхности Земли до ионосферы равна 0,5․10 -2 ом -1 .

Перемещения объёмных зарядов в атмосфере (см. Атмосферное электричество) за счёт воздушных движений и турбулентной диффузии вызывают эффекты, близкие к создаваемым П. а. в электрическом поле. Для характеристики этих эффектов вводят соответственно понятия конвективной и турбулентной проводимости.

Лит.: Чалмерс Дж. А., Атмосферное электричество, пер. с англ., Л., 1974; Имянитов И. М., Приборы и методы для изучения электричества атмосферы, М., 1957, гл. 7; Имянитов И. М., Чубарина Е. В., Шварц Я. М., Электричество облаков, Л., 1971.

И. М. Имянитов.

Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .

Смотреть что такое "Проводимость атмосферы" в других словарях:

Способность атмосферы проводить электрический ток. Создается атмосферными ионами и увеличивается с ростом ионизации и чистоты атмосферы и уменьшением ее плотности … Большой Энциклопедический словарь

Способность атмосферы проводить электрический ток. Создаётся атмосферными ионами и увеличивается с ростом ионизации и чистоты атмосферы и уменьшением её плотности. * * * ПРОВОДИМОСТЬ АТМОСФЕРЫ ПРОВОДИМОСТЬ АТМОСФЕРЫ, способность атмосферы… … Энциклопедический словарь

Способность атмосферы проводить электрич. ток. Создаётся атм. ионами и увеличивается с ростом ионизации и чистоты атмосферы и уменьшением её плотности … Естествознание. Энциклопедический словарь

И; ж. 1. Спец. Способность вещества, среды пропускать через себя и передавать теплоту, звук, электрический ток и т.п. П. металла. П. раствора. П. атмосферы. Электрическая п. П. тепла. 2. Биол. Способность нервных и мышечных тканей животного… … Энциклопедический словарь

проводимость - и; ж. 1) спец. Способность вещества, среды пропускать через себя и передавать теплоту, звук, электрический ток и т.п. Проводи/мость металла. Проводи/мость раствора. Проводи/мость атмосферы. Электрическая проводи/мость. Проводи/мость тепла. 2) … Словарь многих выражений

Стационарное электрическое поле, создаваемое электрическими объёмными зарядами (См. Электрический объёмный заряд) в атмосфере, собственным зарядом Земли и зарядами, индуцированными в атмосфере. Характеристики Э. п. а. напряжённость поля и …

Раздел метеорологии (См. Метеорология), изучающий физические закономерности процессов и явлений, происходящих в атмосфере, в том числе определяющих строение и самой атмосферы: свойства составляющих атмосферу газов, поглощение и излучение… … Большая советская энциклопедия

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 проводимость,… … Википедия

1) совокупность электрических явлений и процессов в атмосфере (См. Атмосфера), 2) раздел физики атмосферы, изучающий электрические явления в атмосфере и её электрические свойства. При исследовании А. э. изучают электрическое поле … Большая советская энциклопедия

Газовая оболочка, окружающая небесное тело. Ее характеристики зависят от размера, массы, температуры, скорости вращения и химического состава данного небесного тела, а также определяются историей его формирования начиная с момента зарождения.… … Энциклопедия Кольера