МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФГБОУ ВПО
Московский государственный университет технологий и управления
имени К. Г. Разумовского
Институт Биотехнологий и Рыбного Хозяйства Кафедра промышленной экологии и охраны труда
КУРСОВАЯ РАБОТА тема
Электрические явления в атмосфере
Выполнил:
Студент 2 курса
Института Биотехнологий
и Рыбного Хозяйства
Специальности
«экология и природопользование»
022000.62
Политов М.О.
Научный руководитель:
Романенко Александр Иванович
кандидат технических наук,
доцент
____________________
Москва, 2012
Содержание работы:
ВВЕДЕНИЕ 3
ФИЗИКА АТМОСФЕРНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА 2.1. Электрический пробой воздуха 6
2.2. Заряды и электростатическое поле в атмосфере 8 2.3. Вертикальные движения воздуха 11
2.4. Генерация и разделение зарядов в конвективном облаке 14
2.5. Классификация механизмов генерации и перераспределения электрического заряда в конвективном облаке 16
2.6.Вывод 21
ГРОЗА И ЧЕЛОВЕК
3.1. Молния и гром как неотъемлемые части грозы 22
3.2. Виды молний 24
3.2.1. Молнии в верхних слоях атмосферы 26
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 27
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 29
ПРИЛОЖЕНИЯ
Введение
Прежде чем вдаваться в разъяснение такого понятия, как «Электрические явления в атмосфере», следует дать определения каждому из его составляющих.
В толковом словаре термину атмосфера дается следующее определение: «Атмосфера – это газовая оболочка, окружающая небесное тело. Ее характеристики зависят от размера, массы, температуры, скорости вращения и химического состава данного небесного тела, а также определяются историей его формирования, начиная с момента зарождения. Атмосфера Земли образована смесью газов, называемой воздухом. Ее основные составляющие – азот и кислород в соотношении приблизительно 4:1.".
Электрические явления в толковых словарях трактуются следующим образом: «Электричество в атмосфере, или, более научно - Атмосферное электричество — это совокупность электрических явлений в атмосфере, а также раздел физики атмосферы, изучающий эти явления. При исследовании атмосферного электричества изучают электрическое поле в атмосфере, её ионизацию и проводимость, электрические токи в ней, объёмные заряды, заряды облаков и осадков, грозовые разряды и многое другое. Все проявления атмосферного электричества тесно связаны между собой и на их развитие сильно влияют локальные метеорологические факторы. К области атмосферного электричества обычно относят процессы, происходящие в тропосфере и стратосфере».
Начало изучению атмосферного электричество было положено в XVIII веке американским учёным Бенджамином Франклином, экспериментально установившим электрическую природу молнии, русским учёным Михаилом Ломоносовым — автором первой гипотезы, объясняющей электризацию грозовых облаков, и французским физиком Гастоном Планте, исследования которого направили человечество к разъяснению естественных атмосферных явлений электричества; на опытах он получал и исследовал шаровую и другие формы молнии, наблюдал подобие северного сияния, получал искусственные смерчи и циклоны, воспроизводил образование града и т.п. Так, 18 августа 1876 г. он записал: “Самая замечательная молния была та, которая, описав кривую линию, стремительно ударилась из-за туч в землю; она была видна в течение несколько секунд и имела вид чёток с блестящими шариками” «Рис.1».
Рис. 1. Чёточная молния, наблюдавшаяся в Париже в 1876 г.
В XX веке были открыты проводящие слои атмосферы, лежащие на высоте более 60—100 км (ионосфера, магнитосфера Земли), установлена электрическая природа полярных сияний и обнаружен ряд других явлений. Развитие космонавтики позволило начать изучение электрических явлений в более высоких слоях атмосферы прямыми методами.
Две основные современные теории атмосферного электричества были созданы английским учёным Ч. Вильсоном и советским учёным Я. И. Френкелем. Согласно теории Вильсона, Земля и ионосфера играют роль обкладок конденсатора, заряжаемого грозовыми облаками. Возникающая между обкладками разность потенциалов приводит к появлению электрического поля атмосферы. По теории Френкеля, электрическое поле атмосферы объясняется всецело электрическими явлениями, происходящими в тропосфере, — поляризацией облаков и их взаимодействием с Землёй, а ионосфера не играет существенной роли в протекании атмосферных электрических процессов.
Исследования атмосферного электричества позволяют выяснить природу процессов, ведущих к колоссальной электризации грозовых облаков, в целях прогноза и управления ими; выяснить роль электрических сил в образовании облаков и осадков; они дадут возможность снижения электризации самолётов и увеличения безопасности полётов, а также раскрытия тайны образования шаровой молнии, интерес к которой не только не исчез за последний полтора столетия, но даже многократно возрос.
2.1. Электрический пробой воздуха
Начнем изложение, как ни странно, с конца. Допустим, в атмосфере в силу каких-то причин, о которых поговорим позже, сформировалось достаточно мощное кучево-дождевое облако. В самом облаке, между ним и Землей, а также между ним и другими облаками непрерывно увеличивается электрическое поле (откуда оно берется, тоже потом обсудим). Зададимся вопросом: доколе оно будет расти?
Бесконечно? Ни в коем случае.
Воздух, как и любое другое вещество, состоит из электрических зарядов.
В один прекрасный момент напряженность электрического поля в какой-то области пространства достигает некоторого критического значения. Это значение не постоянно, зависит от многих факторов (в том числе и от состава воздуха) и, по данным натурных исследований, варьируется в пределах 105 - 106 В/м. С этого момента в данной области начинают происходить весьма интересные процессы.
В воздухе всегда присутствуют в небольшом количестве свободные электроны. Под действием электрического поля они начинают разгоняться, приобретают значительные скорости и, сталкиваясь с атомами воздуха, ионизируют их, <вышибая> оттуда новые электроны. Те, в свою очередь, также становятся свободными, разгоняются и выбивают электроны из других атомов. Процесс становится лавинообразным. Область пространства, охваченная этим процессом, увеличивается в длину с огромной скоростью (порядка 100 км/с) и за доли секунды достигает того места, в которое собирается ударить будущая молния. В большинстве случаев, это - Земля, но часто бывает другое облако или даже другая часть одного и того же облака.
В результате в воздухе образуется проводящий канал, который называется лидер. Это - еще не молния. Это - только, так сказать, вступление к ней. Что мы в итоге имеем? Огромное электрическое поле (образно говоря, батарейка) и проводящий канал (образно говоря, кусочек проволоки). Что мы получим в результате? Правильно. Электрический ток.
Как и любой уважающий себя проводник, заряженный воздух, из которого состоит лидер, при прохождении электрического тока разогревается. Сила тока весьма достопочтенная (порядка 104 - 105 Ампер). Поэтому нагрев происходит тоже существенный (порядка 103 - 104 K). Проводящий канал, нагреваясь, начинает ярко светиться. Таким образом, очевидец наблюдает молнию.
Молния обычно имеет форму разветвленной ломаной или кривой линии. Это является следствием того, что лидер распространяется не по прямой и не сразу. Лавинообразный процесс ионизации периодически затухает и возобновляется вновь. При этом направление распространения лидера изменяется, часто происходит ветвление. Он как бы «выбирает», где присутствует наибольшее количество свободных зарядов, и распространяется именно туда - по пути наименьшего сопротивления. В дальнейшем всю эту траекторию с большой точностью повторяет молния. Все эти архисложные процессы занимают ничтожные доли секунды.
Нагрев при вспышке происходит очень быстро (длительность всего молниевого разряда обычно составляет порядка 10-1 - 100 с). А нагретый воздух, по законам физики, имеет свойство расширяться. Необычайно быстрое расширение воздуха представляет собой взрыв, что сопровождается звуковыми эффектами. Эти звуки хорошо известны каждому и в быту получили название гром. При охлаждении воздуха по окончании разряда наблюдается столь же быстрое и громкое сжатие. Звук, распространяясь в окружающем пространстве, многократно отражается от Земли, облаков, местных предметов и др. Поэтому наблюдатель обычно слышит раскаты грома, представляющие собой многократное, пришедшее с разных сторон эхо.
Образование лидера и следующий за ним молниевый разряд, обычно, повторяются многократно. Это тоже сказывается как на световых эффектах (мерцающая молния), так и на звуковых (неравномерный звук грома).
После разряда происходит полная или частичная нейтрализация электрических зарядов (о них поговорим ниже) в облаке и его окрестностях (в том числе, на Земле). Напряженность электрического поля скачкообразно уменьшается. Обычно, к этому времени облако еще живет полной жизнью, генерация зарядов и усиление электрического поля возобновляются, и через некоторое время молниевый разряд повторяется вновь. Количество и частота разрядов зависят от конкретной ситуации и варьируются на порядки: от десятков молний в секунду до одной-двух за всю грозу.