Атмосферное электричество. Методы изучения ионизационного состояния атмосферы. Электрическое поле в атмосфере, страница 5

Метод пластины основан на использовании соотношения E=4πσ, справедливого в непосредственной близости от проводника. Используемое устройство (см. рис. 9.2) представляет собой заземленный металлический сосуд (типа очень большой кухонной кастрюли). Близко от верхнего края сосуда располагается изолированная металлическая пластина. При снятой крышке  заземляют пластину с помощью ключа К. Тогда она принимает заряд Q=S_pσ  как часть земной поверхности (здесь S_p – площадь пластины, σ – поверхностный заряд Земли). Если теперь отключить заземление и быстро закрыть пластину  крышкой,  заряд должен уйти с пластины на землю, поскольку, как вам известно, внутри проводника заряды отсутствуют. Этот заряд нетрудно измерить, например, с помощью гальванометра Gв цепи заземляющего электрода. Отсюда уже просто получить напряженность электрического поля перед моментом закрытия крышки:  E=4πσ=4π(Q/S_p) (единицы СГСЭ).

Наблюдения вблизи земной поверхности показывают, что величина E может изменяться в пределах нескольких десятков и даже сотен тысяч В/м разных знаков. Таким «ненормальным колебаниям» обычно соответствуют осадки, грозы и сильная облачность. В «нормальных условиях» (ясная безоблачная погода) как над сушей, так и над океаном величина E около 130 В/м. Напряженность электрического поля несколько выше в средних широтах и убывает к экватору и к полюсам. С поднятием вверх напряженность также убывает,  причем быстрее, чем поле заряженного шара. Это обусловлено наличием положительных объемных зарядов в атмосфере.

Возникает вопрос, почему же люди, имеющие рост около двух метров, не ощущают разности потенциалов порядка 200 В? Дело в том, что человеческий организм является весьма хорошим проводником. Поэтому его потенциал одинаков в любой точке тела, и силовые линии электрического поля вблизи его располагаются параллельно поверхности тела.

Ладно, так происходит в статическом случае. Но предположим такую ситуацию. Мы разместили коллектор на достаточно большой высоте и присоединили к нему изолированный провод, опускающийся вниз. Очевидно, что разность потенциалов человека, стоящего на земле, и провода весьма велика. Получит ли человек ощутимый удар электрическим током, если нечаянно коснется провода? Нет. Так как возникающий ток чрезвычайно мал. Требуется перераспределение очень малого числа зарядов (ток), чтобы потенциал проводника выровнялся с потенциалом земли. В дальнейшем через тело человека и провод будет течь очень слабый ток, обусловленный проводимостью атмосферы на высоте размещения коллектора.

Интереснейшей особенностью отличается суточный ход напряженности электрического поля  над океанами, где он повсюду имеет максимум в 18-19 часов и минимум в 3 часа по Гринвичу. Такой же по форме суточный ход наблюдается в полярных областях и на некоторой высоте над уровнем земной поверхности[3]. Как будет видно далее, такой странный суточный ход напряженности обусловлен грозовой активностью и ее изменчивостью в течение суток.

Как уже говорилось, в среднем градиент потенциала (т.е. напряженность электрического поля) максимален в средних широтах и несколько убывает к экватору и полюсам. По мере увеличения высоты напряженность поля убывает. Это связано не только с особенностями пространственного распределения поля заряженной сферы, но и с наличием положительных объемных зарядов в нижних слоях атмосферы. В среднем имеет место картина, отображенная в таблице 9.2.

Используя эти данные, можно оценить электрический потенциал на высоте 9 км: он будет приблизительно на 180 000 B больше потенциала у поверхности Земли. Такое среднее изменение напряженности поля с высотой часто нарушается за счет влияния объемных зарядов (облака, инверсии и т.п.). Это влияние особенно сильно проявляется у земной поверхности.

Таблица 9.2. Изменение средней напряженности электрического поля с высотой [1]