6. Атмосферное электричество

Среда обитания человека подвергается воздействию не только электромагнитного, солнечного и космического излучений, но и пронизана статическим электричеством. Понятие «атмосферное электричество» объединяет совокупность электрических процессов, происходящих в атмосфере. Электрические свойства атмос­феры и происходящие в ней электрические явления изучает специ­альный раздел геофизики. Атмосферное электричество — сущест­венный абиотический фактор в биосфере, играющий большую роль в экологии. Атмосфера представляет собой газовую (воздушную) среду вокруг Земли, вращающуюся вместе с нею. Масса атмосферы составляет примерно 5,15∙10¹⁸ кг, а масса Земли – 6∙10²⁴кг, т. е. масса атмосферы в миллион раз легче Земли. Химический состав атмосферы представлен в табл. 1.

Таблица 1

Химический состав воздуха у поверхности Земли (без учета паров воды)

Газ	Объемная концен­трация, %
Азот N3	78,08
Кислород О2	20,95
Аргон Аr	0,93
Углекислый газ СО2	3,5∙10–2
Неон Nе	1,8∙10–3
Гелий Не	5∙10–4
Метан СН4	2∙10–4
Криптон Кr	1,1∙10–4
Водород Н2	5∙10–5

В нижней части атмосферы (до высот 20 км) содержатся также пары воды. С высотой давление, плотность воздуха и концентрация паров воды уменьшается. На высотах при­мерно 25 км расположен слой озона О₃, предохраняющий жи­вые организмы биосферы от вредного воздействия ультра­фиолетового (УФ) излучения. На высотах, больших 100 км, увеличивается доля легких га­зов и на очень больших высо­тах преобладают молекулы Н₂ и Не. Часть молекул под воздействием электромагнитных полей распадается на атомы и ио­ны, образуя слой ионосферы, которая используется для дальней радиосвязи.

В зависимости от изменения температуры с высотой атмосферу разделяют на тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу, экзосферу. Гравитационное поле Земли удерживает атмосферу. Эле­ктростатические силы, определяемые кулоновским взаимодействи­ем между двумя неподвижными зарядами, во много раз больше гравитационного взаимодействия. Например, два заряда, каждый из которых равен одному кулону, действуют друг на друга при расстоянии в один метр с силой в несколько миллионов тонн. С другой стороны, две массы, каждая величиной в один килограмм, по закону тяготения Ньютона взаимодействует при расстоянии между ними в один метр с силой, примерно равной 6,7∙10^–14 т. Отсюда видно, насколько могущественнее силы кулоновского вза­имодействия по сравнению с силами гравитационного взаимодейст­вия. Закон взаимодействия двух электрических зарядов, открытый французским инженером Кулоном (1785) и названный его именем, удивительно гармонирует с законом всемирного тяготения И. Нью­тона (1642–1727). Закон кулоновского взаимодействия находит чрезвычайно широкое применение в электростатике, теории плаз­мы, атомной и ядерной физике. При появлении в атмосфере одного рода электричества всегда появляется равное количество электриче­ства другого рода. Нет ни одного явления, при котором создавался или исчезал заряд одного рода. Всегда происходит перераспределе­ние заряда между телами. При ионизации атомов возникают сво­бодные электроны, но при этом возникают и положительно заря­женные ионы. Алгебраическая сумма зарядов остается неизменной. Существует и действует закон сохранения заряда, как и существует, и действует закон сохранения вещества.

В атмосфере всегда присутствует электрическое поле. Все осад­ки, облака, пыль и туманы в атмосфере всегда заряжены в той или иной степени. Районы пыльных бурь, гроз, осадков имеют более сильные электрические поля, чем районы с «хорошей» погодой, где присутствует стационарное электрическое поле с напряженностью Е, равной примерно 130 В/м.

В целом атмо­сфера заряжена поло­жительно, а Земля имеет отрицательный заряд, примерно равный 3∙10⁵ Кл. Наибольшее значение Е наблюдается в средних широтах, а к полюсам и экватору значение Е уменьшается.

На высоте 10 км значение Е составляет несколько В/м. В слое перемешивания толщиной примерно 0,3–3 км значение Е может увеличиваться из-за присутствия на этих высотах скопления аэро­зольных частиц. При больших высотах величина напряженности электрического поля уменьшается по экспоненциальному закону. Между ионосферой и поверхностью Земли разность потенциалов составляет примерно 200–250 кВ. Величина Е меняется со време­нем, т. е. бывают суточные и годовые вариации. У поверхности Земли электропроводность атмосферы а составляет (2–3)∙10^–14 Ом^–1∙м^–1.

С увеличением высоты а растет по экспоненциальному закону и на высоте 10 км достигает значения 3,0∙10^–13 Ом^–1∙м^–1. Элект­ропроводность атмосферы определяется ионной составляющей с подвижностью легких ионов у поверхности Земли. Концентрация легких ионов увеличивается с увеличением иониза­ции зарядов и уменьшается с увеличением концентрации частиц в атмосфере.

Основным источником ионизации атмосферы являются косми­ческие лучи, радиоактивные вещества Земли и воздуха, УФ и кор­пускулярное излучение Солнца. Космические лучи действуют по всей толще атмосферы. Радиоактивные вещества, находящиеся в Земле, в основном, ионизируют приземный слой атмосферы и с вы­сотой этот источник ионизации резко убывает. Радиоактивные ве­щества, находящиеся в воздухе, ионизируют атмосферу до высот, примерно в несколько километров. Ионизирующее действие УФ и корпускулярного излучений Солнца проявляется в слоях верхней атмосферы.

Источниками атмосферного электричества в локальных област­ях являются извержения вулканов, торнадо, метели, пылевые бури, разбрызгивание морских волн и водопадов, облака, осадки, па­ровые и дымовые образования природного и техногенного проис­хождения и т. д. При этом электризация атмосферы происходит весьма бурно, что приводит к возникновению грозовых явлений. Наибольший вклад в электризацию атмосферы вносят облака и осадки. В слоисто-кучевых облаках плотность объемных зарядов достигает значения ρ = 10^–10 Кл/км³, что примерно на порядок больше плотности зарядов в чистой невозмущенной атмосфере. Напряженность электрического поля E в облаках достигает 100 – 300 В/м. Отдельные капли несут заряд q =10 – 100е. В нижней области облака находятся отрицательные заряды, а верхние об­ласти облака заряжены положительно. В дождевых облаках приве­денные выше величины превышают в несколько раз аналогичные величины слоисто-кучевых облаков. Например, заряды капель осад­ков достигают значения q = 10⁵ – 10⁶е (е – заряд электрона).

Изучение электрических процессов в атмосфере и контроль за состоянием атмосферы имеют большое значение для экологии как с точки зрения биологического действия атмосферного эле­ктричества, так и с точки зрения уменьшения его вредного и опас­ного воздействия на различные техногенные объекты (сооружения, промышленные установки, авиацию, линии связи и электропередач и т. п.). Электрические процессы, происходящие в атмосфере, обусловлены не только статическим электричеством и электромаг­нитным, космическим и солнечным излучением, но и сами облака являются источниками радиоизлучения. Атмосферное элект­ричество проявляется в виде разнообразных явлений, из которых видное место занимают молнии.