1.3 Атмосферна електрика – прояви і небезпека

Атмосферна електрика виявляє себе у різних формах, здавна відомих людям. Однією із форм вияву атмосферної електрики є так звані вогні святого Ельма [Мал.1]. Це особливого роду електричні розряди у вигляді світіння, яке спостерігається в природних умовах на гострих виступах, що вивищуються над земною поверхнею. Часто вогні святого Ельма виникають у горах, на гострих вершинах скель, щоглах кораблів, на літаках, а інколи навіть на людях і тваринах. Їх можна бачити, коли вони з'являються над головою, високо піднятою рукою, палицею. Явище назвали на честь церкви Святого Ельма, на вежах якої їх часто спостерігали.

Вогні святого Ельма - особлива форма коронного електричного розряду. Вони виникають тоді, коли напруга електричного поля в атмосфері досягає високих значень (до ЗО кВ/см). Це найчастіше буває під час грози чи її наближення та завірюх. Таке явище завжди цікавило й водночас насторожувало. І було чого! Поява таких вогнів на літаках, що летять крізь заряджені хмари, спричинює порушення роботи радіоприймальних і навігаційних пристроїв, створюючи небезпеку. За розповідями очевидців, під час появи вогнів святого Ельма над літаком спостерігалося надзвичайно красиве і водночас страшне явище. Яскраві вогняні смуги завдовжки 3-5 метрів і завширшки 10 сантиметрів віялом розліталися від крайки крил, двигунів. Відомий випадок, коли літак чотири години летів у такому ореолі, а потім у нього влучила блискавка.

Рекомендацій, як поводитися людям у разі появи над ними вогнів святого Ельма, нам розшукати не вдалося. Однак, оскільки таке явище виникає під час грози або її наближення, заходи безпеки для людей, на нашу думку, повинні бути такими самим, як і від блискавки. Одне очевидно: у разі появи на людині вогнів святого Ельма їй слід негайно залишити небезпечну зону.

Одним із виявів атмосферної електрики є полярне сяйво. Це світіння верхніх шарів атмосфери на висоті 100 кілометрів і більше, яке спостерігається здебільшого в полярних районах земної кулі. Воно пов'язане з процесами, що відбуваються на Сонці. Сонце випромінює в міжпланетний простір гігантську енергію у вигляді світла (видимого і невидимого), рентгенівських і гама-променів, ультрафіолетового та інфрачервоного випромінювання. Земна атмосфера частково служить екраном на шляху поширення хвильового випромінювання до поверхні Землі. Атоми і молекули атмосферних газів (азоту, кисню та інших) поглинають і розсіюють хвильове випромінювання Сонця. Вчені з'ясували, що Сонце випромінює не тільки видиме і невидиме світло, а й часточки (газ), які несуть на собі електричні заряди. Цей газ із заряджених частинок заповнює весь міжпланетний простір Сонячної системи, досягаючи атмосфери Землі. Магнітне поле Землі захищає від потоку цих часточок. Його дія залежить від спрямування силових ліній магнітного поля відносно напрямку руху часточок. Магнітне поле Землі має дипольний характер, тобто Земля має Північний і Південний магнітні полюси. Лінія, яка їх з'єднує, називається магнітною оссю. Магнітна вісь Землі не збігається з географічною, а складає з нею кут у 11 градусів.

Силові лінії магнітного поля є векторами з певним напрямком. У разі Землі вони спрямовані від магнітного полюса, який лежить у південній півкулі, до магнітного полюса, який розташований у північній півкулі. Тому в північній півкулі (що далі від екватора і ближче до полюса) вектор магнітного поля спрямований униз. Над самим полюсом вектор повинен бути вертикальним і йти вниз. Те саме й у південній півкулі, але вектор магнітного поля спрямовується протилежно, тобто вгору. Мірою віддалення від південного полюса цей вектор все більше відхиляється від вертикалі й на екваторі стає горизонтальним. Таким чином, на екваторі та поблизу його силові лінії магнітного поля скеровані горизонтально, тобто поперек руху заряджених сонячних частинок, а на полюсах - уздовж траєкторії руху. Потрапляючи в поперечне магнітне поле Землі, заряджені сонячні часточки змінюють траєкторію і не досягають навіть середніх шарів атмосфери й поверхні Землі. Інколи вони немов закручуються навколо силових ліній магнітного поля. На цьому принципі засновано спеціальні електронно-іонні прилади - індутрони. Ті заряджені сонячні частинки, які наближаються до Землі в районі магнітних полюсів, де силові лінії виявляються

майже паралельними до їхнього руху, не піддаються гальмівній дії магнітного поля Землі - магнітосфері. Магнітосфера простягається на відстань до 10 земних радіусів. Заряджені часточки, вторгаючись в атмосферу Землі, зумовлюють світіння атмосферного газу, що є причиною полярного сяйва. Крім світіння газу, швидкі заряджені часточки іонізують атоми і молекули, відбираючи по одному орбітальному електрону, й перетворюють їх на електрично заряджені часточки - позитивні іони, і газ стає електропровідним. Іонізацію атмосферного газу зумовлює й хвильове випромінювання Сонця. Внаслідок цього на висоті від 50 до 1000 км існує частково іонізована оболонка атмосфери, яку називають іоносферою.

Оскільки в районі магнітних полюсів іонізація зумовлюється як хвильовим випромінюванням, так і електрично зарядженими сонячними частинами, то тут спостерігаються підвищені концентрації іонів всередині іоносфери. Процес вирівнювання концентрацій іонів іоносфери спричинює появу електричного струму в сотні тисяч ампер. Бомбардування атмосфери Землі сонячними частинками та струми, що протікають, спричинюють сильне підвищення температури атмосферного газу. Внаслідок цього виникають різні рухи газу, утворюються гравітаційні інфразвукові хвилі, які поширюються вниз до поверхні Землі на великі відстані. Ці хвильові процеси разом із магнітними бурями, що значною мірою залежать від вибухів на Сонці, впливають на життя і здоров'я людей. Вибухи на Сонці і породжені ними потоки заряджених частинок (коронарні викиди) можуть зумовлювати катастрофічні наслідки на нашій планеті. Колосальної сили вибухи на Сонці, які сталися в позаминулому столітті, а саме в 1859 році, вивели з ладу телеграф і спричинили пожежі. Навіть у середніх широтах земної кулі спостерігалося сяйво. Магнітне поле Землі сильно деформувалося.

Процеси, які відбуваються на планетах сонячної та інших зіркових систем, значною мірою залежать від взаємного розташування. Найнебезпечніші планетарні вияви вчені пов'язують з парадом планет, коли деякі з них шикуються в одну лінію. За даними вчених, найближчий парад планет очікується в 2012 році, коли Юпітер, Сатурн, Марс і Земля стануть в одну лінію. Особливістю параду планет 2012 року має бути те, що, крім названих планет Сонячної системи, в одну лінію вишикується і низка планет інших зіркових систем.

Грізними і дуже небезпечними виявами атмосферної електрики є блискавка. Підраховано, що над землею щосекунди виникає до сотні блискавок. Блискавка - потужний короткочасний електричний розряд атмосферної електрики, довжину якого зазвичай вимірюють кілометрами. Сила струму блискавки може сягати 200 000 Ампер, напруга - 30-50 млн. вольт, температура - від 6 000 до 10 000°С, тривалість розряду - від 0,1 до 1 секунди. Блискавка виникає тоді, коли в якій-небудь ділянці атмосфери нагромаджується такий великий електричний заряд, що пробиває повітря. Джерелом електричних зарядів найчастіше є грозові хмари. Але не тільки вони. Блискавка може виникати і під час снігових та піщаних бур, а також у хмарах у процесі виверження вулканів. Останнє явище зафіксував Карл Брюллов у знаменитій картині «Останній день Помпеї». Перед написанням картини художник досконало вивчав праці різних істориків, спогади очевидців події, археологічні матеріали. Відомо також, що блискавка може виникати в прозорому повітрі. Від цього, напевно, виник вислів «грім серед ясного неба».

Найчастіше зустрічаються блискавки, які є внутрішньохмарним розрядом і створюють велику загрозу літальним апаратам. Від блискавок потерпають літаки й космічні кораблі. Так, у 1969 році блискавка пошкодила енергетичну систему американського супутника «Апполон-12».

Блискавку, яка виникає між хмарою і землею, інколи називають лінійною чи зигзагоподібною. Існує ще чимало типів блискавок. Зірниця (теплова блискавка) становить собою блискавку чи світіння хмари, зумовлене блискавкою, громом не супроводжується. Стрічкова блискавка утворюється тоді, коли за час між імпульсами канал розряду хмара - земля зміщується (наприклад, вітром). Рідкісним типом блискавки є поточна, чи ланцюгова, блискавка. Це така форма блискавки, канал якої розбивається (або здається розбитим) на фрагменти, що світяться, довжина яких становить зазвичай кілька десятків метрів. Ймовірно, що ці «чотки» існують довше, ніж звичайний канал розряду хмара - земля. До рідкісних і мало вивчених блискавок належить і кульова. Кульовою блискавкою називають рухливі сфери, що світяться. Ці сфери мають діаметр від 1 до 100 см і тривають кілька секунд. За інформацією вчених, кульові блискавки рухаються горизонтально зі швидкістю кілька метрів за секунду. Кульові блискавки розпадаються двома способами: безшумно чи з вибухом.  

Всі типи блискавок, які виникають між хмарами і землею, несуть потенційну загрозу щодо виникнення вибухів і пожеж, а також життю і здоров'ю людей. За неповними даними, за період від 2000 до 2008 року від розрядів блискавок в Україні сталося майже 3450 пожеж, загинули і постраждали 35 людей. Прямі й побічні матеріальні збитки становили 170 млн. гривень.

Для захисту будинків і споруд від прямого попадання блискавки застосовують систему пристроїв і заходів. До блискавкозахисних пристроїв належать блискавковідводи, розрядники.

Блискавковідводи бувають різних конструкцій: стрижневі, тросові, сіткові. Вони складаються із блискавкоприймача (стрижень, трос), заземлювача і струмовідвідних спусків, котрі їх сполучають. Загальний електричний опір блискавковідводу повинен бути не більше ніж 10-20 Ом.

Крім прямих ударів, є й вторинні вияви блискавки: електростатична і електромагнітна індукція, передача високої напруги в приміщення через металеву оболонку кабелю чи повітряними дротами. Захист від вторинних ефектів забезпечується заземленням обладнання та іншими спеціальними заходами. Для захисту від кульової блискавки під час грози треба зачиняти вікна, двері, шибери димових труб та інші отвори, щоб зменшити протяги.

Небезпека ураження людей блискавкою може бути такою:

- пряме ураження, що призводить до смерті;

- ураження струмом під впливом розряду блискавки на значній від розряду відстані (до метра) - електромагнітна індукція (це явище так само небезпечне, як і пряме ураження);

- різка зміна потенціалу тіла під впливом розряду - електрична індукція;

- потрапляння в зону поступового розряду між хмарою і землею. При цьому чути характерне потріскування, в темряві видно голубі іскорки і світіння - вогні святого Ельма. Людина, яка потрапила в таку зону, відчуває поколювання на кінчику носа, на мочках і в пальцях рук.

На людину може впливати висока крокова напруга. Від удару блискавки на поверхні землі виникає різниця потенціалів, і через людину може пройти електричний струм.

Захистом для людини під час грози можуть служити природні підвищення заввишки 5-8 метрів. Перебувати від них потрібно не ближче 1,5 - 2 метри. Не можна стояти під високими деревами, особливо на відкритій місцевості, біля вогнища (електропровідність нагрітого повітря під час грози різко зростає), тому що можливий розряд блискавки у вогнище. Не слід купатися, кататися на човні, ховатися під ізольованими навісами, будками, в копицях сіна, соломи, під водонапірними баштами, поблизу труб і проводів, користуватися мобільними телефонами.

Вивчення явищ атмосферної електрики допоможе розробити і здійснити заходи щодо мінімізації її небезпечних і шкідливих виявів. Крім того, можливо, це допоможе вченим в недалекій перспективі розробити технології одержання електричної енергії від вічного джерела - Сонця.

РОЗДІЛ 2

Електричні властивості оболонок Землі

Від електропровідності планети в цілому до зразків гірських порід (вимірювання на керні) . Взаємодія варіацій магнітного й електричного полів , зумовлених як природними , так і штучно індукованими струмами , використовується в магнітотелуричних зондуваннях для вивчення будови нижньої частини кори і верхньої мантії , при розвідці корисних копалин розвідувальними методами геоелектрики.

Електромагнітні методи вивчення геологічного середовища , пошуку корисних копалин ґрунтуються на диференціації гірських порід по електромагнітним властивостям . Характер електромагнітних полів, зумовлених як штучними , так і природними джерелами , визначається геоелектричними будовами досліджуваного ділянки. Деякі геологічні об'єкти в певних умовах здатні створювати власні електричні поля. За виявленої електромагнітної аномалії можна робити висновки , спрямовані на вирішення поставлених завдань.

Сучасна електророзвідка має в арсеналі більше 50 методів . Така різноманітність пояснюється тим, що в ній використовуються різні електричні й електромагнітні поля. Природничі поля космічної , атмосферної та електрохімічної природи ; штучні поля з різними способами їх створення і вимірювання ( гальванічним , індуктивним і дистанційними ) ; гармонійні поля широкого діапазону частот ; імпульсні поля різної тривалості ; реєструються сигнали різних частотних (від міллігерц до сотень терагерц ) і динамічних діапазонів . Крім того , електророзвідка користується новітніми досягненнями електротехніки та радіоелектроніки . При електророзвідці вимірюються амплітуди електричних і магнітних складових поля , а також їх фази . Реєстрація ведеться в аналоговій , але останнім часом все більше в цифровій формі. При вимірах , обробці та інтерпретації результатів широко застосовується сучасна комп'ютерна техніка.

Электроразведка (точніше електромагнитная розвідка) об'єднує фізичні методи дослідження геосфер Землі, пошуків і розвідки з корисними копалинами, засновані на вивченні електричних і електромагнітних полів, що у Землі або у силу природних космічних, атмосферних, фізико-хімічних процесів, або створених штучно. Використовувані поля може бути: усталеними, тобто. існуючими понад секунди (постійними і перемінними, гармонійними із частотою від міллігерц (1мГц = 10^-3гц) допетагерц (1ПГц = 10¹⁵ гц)) і несталими, імпульсними з тривалістю імпульсів від мікросекунд до секунд. З допомогою різноманітної апаратури вимірюють амплітудні і фазові складові напруженості електричних (E) і магнітних (H) полів. Якщо напруженість і структура природних полів визначається їхніми природою, інтенсивністю, і навіть електромагнітними властивостями гірських порід, то тут для штучних полів вона залежить від потужності джерела, частоти чи тривалості, і навіть способів порушення поля. Основними електромагнітними властивостями гірських порід є питомий електричний опір, електрохімічна активність, поляризуємість, діелектрична і магнітна проникності. Електромагнітні властивості геологічних середовищ, яка вміщає середовища, пластів, об'єктів, і навіть геометричні параметри останніх є основою для побудови геоелектричних розрізів. Геоелектричний розріз над однорідним у тій чи іншому електромагнітному властивості напівпростір прийнято називати нормальним, а над неоднорідним - аномальним. Безпосередньою завданням, розв'язуваної з допомогою електророзвідки, є визначення геоелектричного розтину досліджуваного району. Маючи відомості про неї, можна можливість перейти до рішенню основної мети – побудові геологічного розтину.

Электророзвідні дослідження проводять у тісного зв'язку з іншими геофізичними і геологічними дослідженнями. Ця зв'язок зумовлена тим, що електрозвідні роботи – одне із етапів геологоструктурних чи геологопошукових робіт. Конкретні завдання, розв'язувані з допомогою електророзвідки, випливають із результатів попередніх геологічних робіт, а дані, отримані у результаті застосування електророзвідки, визначають методику і напрям наступних геологічних досліджень. Комплекси електророзвідки коїться з іншими геофізичними методами дозволяє значно підвищити рівень достовірності геологічної інтерпретації результатів польових спостережень.

Методи геоелектромагнітних досліджень надзвичайно різноманітні як за своїми цілями , так і за фізико - математичним і методологічним основам . Ці методи залучаються до вирішення фундаментальних геолого-геофізичних задач ( глибинне будова Землі , що відбуваються в ній геодинамічні і інші процеси ) і широко використовуються в практиці прикладних досліджень ( пошуки і розвідка нафтогазових , вугільних і рудних родовищ , гідрогеологічні , екологічні та інженерно -геологічні завдання) . Частина з них базується на суворій фізико - математичній основі - електродинаміки суцільних середовищ ( методи класичної геоелектрики) , що дозволяє вивести інтерпретацію отриманих ними результатів на кількісний рівень . Це різні варіанти електромагнітного ( ЕМ) зондування та профілювання , радіохвильові методи і т.п. В інших методах ( некласичної геоелектрики) вивчаються експериментально спостережувані явища , які не вписуються в рамки електродинаміки і зобов'язані своїм існуванням специфіці досліджуваної геологічного середовища . Остання , як відомо , являє собою складну енергетично відкриту гетерогенну і поліфазний систему, що знаходиться в локально нестійкому стані. У такій системі спостерігаються енергетичні переходи одних геофізичних полів в інші , значущі зміни властивостей середовища при слабких впливах.

До некласичної геоелектрики ставляться як стали вже традиційними методи природного електричного поля і викликаної поляризації , так і нові методи , що з'явилися або отримали новий імпульс до свого розвитку за останні роки ( Високороздільна електророзвідка , сейсмоелектричні методи , електромагнітний моніторинг) . Некласична геоелектрика відкриває нові перспективи до більш тонкого вивчення будови геоелектричного середовища і відбуваються в ній геодинамічних і інших процесів.

Настільки різноманітні методи геоелектромагнітних досліджень , природно , знаходяться на різному рівні розвитку. Відповідно, перед їх розробниками стоять різні , в тому числі фундаментальні , завдання , що визначають повноту і цінність поставляється цими методами геофізичної і геологічної інформації . Вирішення таких завдань неможливе без залучення сучасних досягнень в галузі математичного моделювання та обробки інформації.

Можна виділити кілька основних напрямів , навколо яких зосереджена більшість сучасних досліджень в області геоелектрики :

- Вивчення геоелектричної будови Землі на континентах і океанах ;

- Розробка інформаційно - математичного забезпечення геоелектромагнітних досліджень;

- Вивчення геодинамічних та інших процесів Землі ;

- Вивчення проблем некласичної геоелектрики.

Електричний стан атмосферного повітря характеризують його іонізація, електричне поле земної атмосфери, грозова електрика, природна радіоактивність.

Під іонізацією повітря розуміють розпад газових молекул й атомів під впливом іонізаторів. До іонізаторів відносять радіоактивне випромінювання ґрунту і повітря, ультрафіолетове і світлове випромінювання сонця, космічні випромінювання, розпилення води (балоелектричний ефект). Число іонів, що утворюються в 1 мол. газу за одиницю часу, називається інтенсивністю іонізації.

У результаті іонізації від нейтрального атома відокремлюється електрон, що приєднується до іншого нейтрального атома, утворюючи негативний іон. Частина атома, що залишилася, стає позитивно зарядженим іоном. До знову утворених іонів приєднуються газові молекули, створюючи більш стійкі іони з позитивним або негативним зарядом. Це так звані легкі аероіони, швидкість їхнього пересування становить 1-2 дм/с, час існування 1-2 хв. Вони швидко рекомбінуються.

Легкі аероіони можуть приєднувати до себе пилові частинки, мікробні тіла, перетворюючись у середні, важкі і надважкі іони. Важкі іони менш рухливі, їх швидкість не перевищує 0,0005 дм/с, вони міцно утримують заряд. Поряд з утворенням іонів в атмосфері відбуваються процеси їхнього знищення у результаті об'єднання іонів протилежного заряду. В атмосфері постійно відбуваються процеси іоноутворення та іонознищення і установлюється певна іонізаційна рівновага. Кількість легких іонів залежить від географічних, геологічних умов, погоди, рівня радіоактивності навколишнього середовища, забруднення атмосферного повітря. Іонізаційний режим повітряного середовища визначається відношенням числа важких іонів до числа легких іонів (N/n) і відношенням кількості позитивних іонів до числа негативних іонів — коефіцієнтом уніполярності (п+/n-).

Більш забруднене повітря має вищий коефіцієнт. Наприклад, в 1 см3 повітря курортних місцевостей утримується 2000—3000 легких іонів, в 1 см3 повітря промислових міст число легких іонів зменшується до 40. Зменшення числа легких іонів свідчить про погіршення стану атмосферного повітря. Легкі іони поглинаються у процесі дихання, адсорбуються шкірою, одягом. З подихом у повітря приміщень виділяється багато важких іонів. Отже, зміна іонізаційного режиму є чутливим показником чистоти повітряного середовища в житлових і громадських приміщеннях. На цей час доведено багатобічну дію аероінів на організм. Фізіологічний механізм дії іонізованого повітря включає електрообмін у легеневій тканині і нейрорефлекторні реакції на подразнення аероіонами рецепторів шкіри і слизових оболонок.

Під дією високих концентрацій негативних легких іонів (до 100000 в 1 см3 повітря) у людей відбуваються сприятливі зміни в газовому і мінеральному обміні, стимулюються обмінні процеси, прискорюється загоєння ран. У цей час штучна негативна іонізація повітря використовується для лікування гіпертонічної хвороби, бронхіальної астми, алергічних реакцій. Позитивні іони пригнічують людину, викликаючи стан сонливості, депресію, знижують працездатність. Легкі іони є показниками санітарного благополуччя повітряного середовища. Є досвід використання штучних іонізаторів повітря для створення сприятливого іонізаційного режиму в житлових і громадських будівлях. Широке використання таких приладів на практиці стримується відсутністю ефективних і простих методів контролю за іонізацією повітря.

Одним із елементів електричного стану повітряного середовища є електричне поле Землі. Атмосфера являє собою позитивний полюс. Напруженість електричного поля атмосфери вимірюється потенціалом у вольтах на 1 м висоти, біля поверхні землі вона становить 130 В/м. Різниця напруги між головою і ногами середньої людини становить близько 250 В. Оскільки земля заряджена негативно, позитивні іони рухаються до земної поверхні, негативні відштовхуються від неї. У такий спосіб в атмосфері утворюється спрямований по вертикалі до землі струм. При градієнті потенціалу 100 В/м сила цього струму становить 2,2 • 10-16 А/см2. Напруженість електричного поля атмосфери різна по сезонах року. У середніх широтах вона вище взимку. Наприклад, узимку напруженість електричного поля становить 260 В/м, улітку – 100 В/м. Погода (дощ, сніг, туман) впливає на величину електричного поля атмосфери; з підвищенням атмосферного тиску, появою туманів електричне поле атмосфери збільшується в 2-5 разів. Особливо сильні зміни електричного поля атмосфери відбуваються під час грози. Нерідко протягом 1-2 год градієнт потенціалу досягає значних величин, причому величина поля може змінювати свій знак, досягаючи значень від -2000 до +1800 В/м.

Біологічна дія електричного поля атмосфери вивчена недостатньо. Є відомості про його вплив на мінеральний обмін між ґрунтом і рослинами. Встановлено, що атмосферна електрика впливає на організм і бере участь у розвитку метеотропних реакцій при різкій зміні погоди.