Атмосферное электричество. Методы изучения ионизационного состояния атмосферы. Электрическое поле в атмосфере

 9. Атмосферное электричество

Атмосферное электричество изучает совокупность электрических явлений и связанных с ними процессов в атмосфере. К ним относятся электрическое поле в атмосфере и ее ионизационное состояние, электрическая проводимость и токи в атмосфере, объемные заряды, заряды облаков и осадков, грозовые и другие электрические разряды. Исторически сложилось, что к атмосферному электричеству относят явления, происходящие в тропосфере и  стратосфере, однако развитие радиолокационных методов исследования и космонавтики позволили начать изучение электрических явлений и в более высоких слоях атмосферы.

9.1 Проводимость атмосферы

Более 200 лет назад было обнаружено, что идеально изолированный от земли проводник постепенно теряет свой заряд по закону

                       
.

Здесь коэффициент а носит название константы рассеяния.

Как оказалось, причиной разрядки проводника является электрическая проводимость атмосферы, обусловленная наличием в ней ионов. Ионы образуются, когда под действием внешнего возмущения (ионизатора) молекуле или атому передается энергия, достаточная, чтобы удалить один из наружных валентных электронов. При этом из первоначально нейтральной молекулы или атома образуется положительно заряженный ион. Выделившийся электрон в нормальных условиях  почти мгновенно присоединяется к другому атому или молекуле, образуя отрицательный ион.          

Однако ионы молекулярных размеров существуют в атмосфере только короткое время. Другие молекулы стремятся сгруппироваться вокруг этих ионов. Несколько молекул (обычно 4-5), объединившихся с ионом, образуют комплекс, называемый нормальным или легким ионом  (размеры порядка 10^{-8 см). Помимо них в атмосфере присутствуют тяжелые или большие  ионы (10-5 см) – частицы, присутствующие в атмосфере (аэрозольные) и получившие заряд в результате столкновения с легкими ионами.}

Кроме этих двух групп, в атмосфере можно выделить также группу средних  или промежуточных  ионов (10^{-6 см), а также частицы тумана с размерами 10-4}-10^{-3 см и капли дождя   (10-2} - 10^{-1 см)[1]}.  Как правило, все эти ионы несут один элементарный заряд, вероятность больших зарядов очень мала.

Ионы в атмосфере характеризуются подвижностью  u– скоростью движения под действием электрического поля с напряженностью 1. Таким образом, подвижность u выражается в см/с в поле В/см, то есть, в единицах см²/(В∙с). Подвижность легких ионов   составляет 1-2 см²/(В∙с), причем отрицательные ионы несколько более подвижны[2].

Исходя из кинетической теории газов, u~ l/mV  , где l – средняя длина пробега, m – масса иона, V – средняя скорость теплового движения, l/V- время между столкновениями.

Подвижность зависит от природы ионизируемого газа. В смеси газов она зависит от состава смеси, причем малые примеси могут оказывать существенное влияние. Например, в воздухе наличие водяного пара существенно уменьшает подвижность ионов. Поскольку l ~ 1/p, подвижность обратно пропорциональна давлению.

Полной характеристикой ионизационного состояния атмосферы является концентрация ионов каждого сорта. Эта концентрация зависит не только от скорости образования ионных пар, но и от скорости рекомбинации или воссоединения – процесса, в котором ионы  противоположных зарядов взаимно нейтрализуются при столкновении. Очевидно, что скорость рекомбинации пропорциональна произведению концентраций положительных и отрицательных ионов n₊n_-, поскольку этому произведению пропорциональна частота столкновений разноименных ионов. Следовательно, в стабильной атмосфере со временем устанавливается равновесие: скорость образования = скорости гибели ионов. Действительно, вначале концентрации n₊  и  n_-  растут, поскольку концентрации малы, и, следовательно, скорость гибели мала. А скорость образования пар ионов зависит только от эффективности ионизирующих излучений и не зависит от концентраций ионов. По мере роста n₊ и n_-  растет и скорость гибели. Если при этом в единицу времени образуется q пар ионов в 1 см³, имеем                               

                                       ,

 где  α – коэффициент, характеризующий эффективность рекомбинации. С учетом принципа квазинейтральности воздуха: n₊ = n_-= n, где n - концентрация ионов того или иного знака, имеем

                                                   .                                                                              (9.1)

В стационарных условиях    dn/dt=0,   q=αn² . Отсюда можно определить какую-либо величину, измерив две других. Для сухого воздуха в нормальных условиях α≈1.6·10⁶ см³/с. На самом деле, легкие ионы исчезают не только в результате рекомбинации, но и за счет образования тяжелых ионов и рекомбинации с тяжелыми ионами. Поэтому уравнения получаются несколько более сложными.  Время рекомбинации всех ионов получим из соотношения    ∆n=αn²∆t. Когда  ∆n~n, тогда ∆t~1/(αn).