Другие предметы \ Физика и химия атмосферы

Атмосферное электричество. Методы изучения ионизационного состояния атмосферы. Электрическое поле в атмосфере, страница 6

h, км 

    0

 0 .5

1.5

 3 

 6

 9

E, В/м 

130  

 50 

30

20

10

 5
Объемные заряды и токи в атмосфере

Зная вертикальный ход потенциала V(h), можно рассчитать плотность объемных зарядов в атмосфере. Согласно закону Пуассона d²V/dh²= -4πρ  (в этом приближении Земля считается плоской). Результаты таких вычислений приведены в таблице 9.3 (в таблице приводится не количество ионов, а разность между числом положительных и числом отрицательных ионов – объемный заряд!). Здесь в качестве единицы заряда фигурирует величина заряда электрона.

Таким образом, в столбе атмосферы 0-9 км имеется приблизительно 7·105 зарядов электронов (по абсолютной величине). Это приблизительно соответствует поверхностной плотности заряда Земли. Получается, что объемные заряды в слое 0-9 км компенсируют отрицательный заряд Земли (см. табл. 9.3).

Таблица 9.3. Высотное распределение объемных зарядов в атмосфере (в единицах заряда электрона)  [1]

Высоты границ слоев от поверхности Земли, км

Заряд в столбе воздуха, e/см2

Средняя объемная плотность заряда, e/см3

0 – 0.5

4.5·105

~9

0.5 – 1.5

1.1·105

1.1

1.5 – 3

0.6·105

0.4

3 – 6

0.6·105

0.2

6 – 9

0.3·105

0.1

0 – 9

7·105

0.77

Мы выделяем два основных механизма образования объемных зарядов. Во-первых, всегда присутствующие в воздухе ионы в электрическом поле Земли дрейфуют в противоположные стороны, что приводит к разделению зарядов. Во-вторых, в ходе атмосферных динамических процессов происходит электризация пыли, дыма, ледяных  кристаллов, капель воды и т.п., а их последующее движение независимо от воздуха также ведет к разделению зарядов.

Оценим плотность вертикального тока в атмосфере у поверхности Земли:

                                 ί=λE»2·10-4· 4πε0·130=2.9·10-16А/см2,

где мы воспользовались переводным множителем для преобразования величины проводимости из системы СГСЭ в систему СИ. Суммарный ток из атмосферы на всю земную поверхность тогда будет равен 1500 А.

Весьма большой вклад в суммарный ток на земную поверхность вносят осадки. Осадки всех видов несут на себе электрические заряды. Экспериментально установлены следующие основные особенности зарядов осадков:

1.  Сумма положительных зарядов, приносимых осадками, и длительность выпадения положительно заряженных осадков больше, чем для отрицательных осадков.

2.  Всегда наблюдается смесь осадков различных зарядов, а также нейтральных частиц. Положительно заряженных капель больше: 1.7 : 1, однако средний отрицательный заряд капли больше среднего положительного.

3.  Обычно более крупные капли несут бόльшие заряды. Особенно большие заряды несут ливневые (грозовые) осадки и град. Здесь плотность тока  может   достигать 10-12 А /см2.

Теории электризации осадков

Существует несколько теорий электризации осадков, которые иногда оказываются противоречивыми. Надежных экспериментальных данных по этой проблеме до сих пор нет.

А. Индукционная теория (Эльстера-Гейтеля).

Капли в электрическом поле Земли поляризуются так, что нижняя часть их приобретает положительный заряд, верхняя - отрицательный. При столкновении капель и их дроблении происходит разделение зарядов: более крупные брызги приобретают положительный заряд, мелкие – отрицательный. В восходящем потоке воздуха мелкие  капли будут увлекаться вверх или медленно падать, придавая отрицательный пространственный заряд облаку, более крупные капли будут быстро уносить положительный заряд вниз.

Б. Замерзание, конденсация и сублимация водяного пара также приводят к появлению зарядов.

Скачать файл