Электрическое поле и электрическая проводимость атмосферы

 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Стр.

1. Введение………………………………………...…………………..2
2. Электрическое поле и электрическая проводимость атмосферы..2
3. Процессы, приводящие к электризации облачных элементов и осадков………………………………………………………………3
4. Распределение зарядов в облаках………………………………….4
5. Грозовые разряды и молнии……………………………………….4
6. Вывод………………………………………………………………..6
7. Список литературы..………………………………………………..6           

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 Введение 

    Грозы, или грозовые бури, представляют собой локальные атмосферные возмущения, связанные с развитием кучево-дождевых облаков. Такие бури всегда сопровождаются громом и молниями и обычно сильными порывами ветра и ливневыми осадками. Иногда выпадает град. Большая часть гроз заканчивается быстро, и даже самые длительные из них редко продолжаются более одного-двух часов.

    Грозы возникают из-за атмосферной неустойчивости и связаны в основном с перемешиванием слоев воздуха, которые стремятся  достичь более устойчивого распределения  по плотности. Мощные восходящие потоки воздуха являются отличительной особенностью начальной стадии грозы. Сильные нисходящие движения воздуха в зонах ливневых осадков характерны для ее заключительной фазы. Грозовые облака часто достигают высоты 12–15 км в умеренных широтах и еще большей – в тропиках. Их вертикальный рост ограничен устойчивым состоянием нижних слоев стратосферы.

    Уникальным  свойством гроз является их электрическая  активность. Молния может наблюдаться  внутри развивающегося кучевого облака, между двумя облаками или между  облаком и землей. В действительности разряд молнии почти всегда состоит из нескольких разрядов, проходящих по одному и тому же каналу, причем они проходят так быстро, что воспринимаются невооруженным глазом как один и тот же разряд.

    Наша  задача состоит в том, чтобы объяснить  такое природное явление как гроза с точки зрения науки физика, то есть разъяснить, какие физические процессы способствуют образованию гроз.

Электрическое поле и электрическая проводимость атмосферы.

    Основной  характеристикой электрического поля атмосферы является напряжённость. У земной поверхности существует стационарное электрическое поле с напряжённостью в среднем равной около 130 В/м. Земля при этом имеет отрицательный заряд, равный около 3∙10⁵ Кл, а атмосфера в целом заряжена положительно. Однако при осадках и особенно грозах напряжённость поля может резко менять направление и значение 1000 В/м. Наибольшее значение напряженность имеет в средних широтах, а к полюсам и экватору убывает. С высотой напряжённость в основном уменьшается, однако вблизи земной поверхности, в так называемом слое перемешивания толщиной 300-3000 м, где скапливаются аэрозоли, напряжённость может с высотой возрастать. Выше слоя перемешивания напряжённость убывает с высотой по экспонециальному закону. Это убывание связано с тем, что в атмосфере содержатся положительные объёмные заряды, плотность которых также быстро убывает с высотой.

    Электрическое состояние атмосферы в значительной степени определяется её электрической  проводимостью, которая создаётся  ионами, находящимися в атмосфере. Электрическая  проводимость зависит от количества ионов, содержащихся в единице объёма и их подвижности. Электропроводность воздуха создаётся всеми ионами, находящимися в атмосфере, но так как подвижность тяжёлых ионов в десятки тысяч раз меньше подвижности лёгких. То их роль в электропроводности воздуха, как правило, ничтожно мала.

    Концентрация  лёгких ионов возрастает с увеличением  интенсивности ионизации и уменьшением  концентрации частиц в атмосфере, поэтому  концентрация лёгких ионов растёт с  высотой. Этот факт в сочетании с увеличением подвижности ионов при уменьшении плотности воздуха объясняет характер изменения напряжённости поля и проводимости атмосферы.

     

Процессы, приводящие к электризации                                                  облачных элементов и осадков.

    В облаках постоянно происходят процессы образования, роста, дробления капель и кристаллов, сопровождающиеся, как  правило, электризацией этих элементов. Электризация облаков зависит от их вертикальной мощности, скорости воздушных потоков в них, а также от наличия жидкой и твёрдой фаз воды. При этом в облаках образуются большие или меньшие объёмные заряды и появляется электрическое поле.

    При всём разнообразии механизмов электризации частиц их можно разделить на два  основных класса:

    1) электризация, связанная с захватами частицами облаков ионов, находящихся в воздухе;

    2) электризация, связанная с обменом  зарядами между частицами (возникающая  либо после разрыва контакта  между ними, либо после их разрушения).

    Электризация  того и другого классов протекает  по-разному в зависимости от присутствия или отсутствия внешнего электрического поля.

    Ионы, находящиеся в воздухе, диффундируют на частицы облаков. Поскольку процесс  диффузии носит случайный характер, то даже при равенстве концентраций ионов обеих полярностей и их подвижностей частицы облаков оказываются разноимённо заряженными. Неравенство концентраций или подвижностей ионов разных полярностей приводит к неравенству положительно и отрицательно заряженных частиц облаков. Подобного рода процессами заряжения обычно объясняют заряжение частиц туманов, облачных частиц слоистых недождящих облаков и других видов облаков, находящихся в начальной стадии развития.

    Другим  механизмом электризации облачных частиц является индукционный механизм. Согласно индукционной теории, каждая капля, находящаяся в электрическом поле, поляризована, то есть разноимённые заряды в ней разделены. Так как обычно Земля заряжена отрицательно, то в нижней части капли расположен положительный заряд, а в верхней – отрицательный. Если направление поля в атмосфере будет противоположным, то и поляризация капли будет обратной. При падении более крупные капли догоняют мелкие. При этом не всегда происходит их слияние. Иногда мелкая капля, скользя по поверхности большой, отрывается от её верхней части и уносит заряд соответствующего знака. В другом случае, если крупная капля, падая, деформируется, мелкая капля может оттолкнуться от её нижней части, унося заряд противоположного знака. Вследствие этого разные по величине капли приобретают заряды разного знака.

    В грозовых облаках, отличающихся большим  вертикальным развитием, быстрому росту зарядов капель может способствовать также их коагуляция, так как заряды коагулирующих капель складывается.

    Описанные выше процессы приводят не только к  электризации облачных элементов, но и  к разделению и накоплению одноимённых  зарядов в разных частях облака. 

    Распределение зарядов в облаках. 

    Разделение  электрических зарядов в облаках  происходит под воздействием следующих  факторов: 1) силы тяжести вследствие неодинаковой скорости падения частиц разного размера и веса; 2) воздушных  течений, как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении; 3) электрических полей и др.

    В результате разделения зарядов в  облаках создаются большие объёмные заряды. В грозовом облаке может скопиться от 10 до 200 к. Разделение зарядов внутри облаков тесно связано с процессами осадкообразования.

    Недождящие  и дождящие облака, как правило, поляризованы положительно, то есть в их верхней части находится положительный заряд, а в нижней  - отрицательный. В нижней части смешанных облаков с большим вертикальным развитием (кучево-дождевые и слоисто- дождевые) появляется вторая положительно заряженная область. В нижней части ливневых и грозовых облаков, где имеют место сильно развитая турбулентность и вертикальные потоки большой скорости (до 30 м/сек.), образование такой положительной области связано с баллоэлектрическим эффектом. Здесь происходит разрушение крупных капель; мелкие, отрицательно заряженные капельки уносятся воздушными течениями в среднюю часть облака, а крупные положительно заряженные капли остаются внизу как более тяжёлые. 

    Грозовые  разряды и молнии. 

    Образование больших объёмных зарядов внутри облака и вследствие этого наведение  на земной поверхности под облаком  заряда противоположного знака приводит к созданию сильных электрических  полей как внутри облака, так и  между облаком и землёй. Напряжённость поля в облаке тем больше, чем больше эти заряды и чем меньше расстояние между ними.

    В грозовых облаках и в окружающем их пространстве напряжённость поля достигает нескольких тысяч В/м, а внутри активной части грозовых облаков в среднем 1-2∙10⁵ В/м. Увеличение напряжённости до такой величины приводит к возникновению электрических разрядов с капелек и снежинок, появлению проводящей области и распространению её вдоль линий поля. При определённых условиях развитие такой области приводит к появлению гигантской электрической искры между отдельными частями облака, либо между облаком и поверхностью земли (находящимися на ней предметами).

    Молнии, то есть электрические разряды в  облаках или между облаками и  землёй, могут возникать только в достаточно мощных облаках (не менее 4-5 км).

    Чаще  всего наблюдается линейная молния с её многочисленными разновидностями, представляющая собой гигантскую искру, иногда сильно разветвленную. Длина  линейной молнии обычно составляет 2-3 км, а иногда при разряде между облаками может достигать и 15-20 км. Линейная молния чаще всего состоит из нескольких разрядов (импульсов), следующих друг за другом через промежутки в несколько сотых долей секунды. Общая продолжительность молнии не превышает десятых долей секунды. Число разрядов чаще всего равно 1-5, однако иногда достигает 10-20. каждый разряд в свою очередь состоит из предварительного, относительно более слабого разряда – лидера, который обычно идёт от облака к земле, и обратного разряда – возвратного удара, распространяющегося в обратном направлении с большой скоростью и более сильного.

    Лидер – это начальный процесс развития молнии. Его роль состоит в том, что, продвигаясь от облака, он ионизирует воздух и тем самым постепенно пробивает путь к земной поверхности, где благодаря индукции накапливаются заряды, противоположные по знаку заряду нижней части облака. Как только лидер доходит до земли, отрицательный заряд, который он несёт, с колоссальной скоростью начинает уходить в землю. Этот процесс составляет главную фазу грозового разряда – возвратный удар, для которого характерно быстрое нарастание тока, большая его величина и интенсивное свечение. Возвратный удар, как правило, переносит на землю от облака отрицательный заряд. Разряжающееся за весь разряд молнии количество электричества невелико, в среднем 20-30 к, но принимая во внимание малую продолжительность молнии, получим большие значения силы тока: в среднем 20 000 а и больше.

    Линейные  молнии почти всегда сопровождаются громом. Возникновение грома объясняется тем, что при электрическом разряде в канале молнии происходит быстрое и очень сильное нагревание воздуха до нескольких тысяч градусов. Воздух мгновенно расширяется и происходит процесс, аналогичный взрыву, сопровождающийся звуковыми волнами – громом. Гром чаще слышен как продолжительные раскаты, а не как одиночный удар, так как возникает вдоль всего канала разряда молнии, и поэтому звук преодолевает расстояние от своего источника до наблюдателя в несколько этапов. Иногда грохотание грома слышится в течение нескольких секунд. Это доносятся звуки, отражённые от земли, облаков, гор, зданий и т. п., находящихся от нас на различном расстоянии.

    Исследования  показали, что грозовые разряды между  облаками или внутри одного и того же облака происходит чаще, чем между облаком и землёй.