Гроза Горный Алтай. Закономерности и особенности Допустить к защите в гэк
 Скачать 5.15 Mb.
|
|
1.2 Концепция глобальной электрической цепи Атмосфера – это наиболее подвижная и уязвимая из оболочек Земли, формирующих среду обитания человека, поэтому физика атмосферных процессов привлекает все возрастающее внимание в связи с проблемами экологии, прогноза погоды (в том числе, космический), изучением климата. Вместе с тем атмосфера Земли представляет собой замечательный объект физико-математических исследований в области гидродинамики и турбулентности, теории динамических систем, оптики, физики космических лучей, атмосферного электричества. Исследование атмосферного электричества, являясь одним из фундаментальных направлений атмосферной физики, в последнее время привлекает особое внимание в связи с появлением новых экспериментальных данных, полученных с помощью наземных и спутниковых наблюдений, баллонного зондирования, измерений на борту самолетов, экспериментов по инициированию грозового разряда, лабораторного моделирования [6]. Новый импульс развитию представлений о грозовом электричестве дали наблюдения оптических явлений в верхней атмосфере, коррелирующих с грозовой активностью, - спрайтов, эльфов и джетов. Отдельные проблемы физики грозового электричества обсуждались в частности, в обзорах, опубликованных в разных исследовательских работах. Последние экспериментальные и теоретические работы привели к более глубокому пониманию физических процессов и в классической области исследования атмосферного электричества – изучении глобальной электрической цепи (ГЭЦ) [6]. Поэтому в полнее закономерно появление ряда новых обзоров, посвященных ГЭЦ, в ведущих зарубежных и отечественных журналах, хотя не один из них не дает целостной картины экспериментальных и теоретических достижений в данной области [6]. Глобальная электрическая цепь – распределенный токовой контур, образованный высокопроводящими слоями верхнего слоя океана и земной коры и атмосферой, проводимость которой ничтожно мала в пограничном слое, но резко возрастает с увеличением высоты. Согласно концепции Ч.Т. Вильсона, сформулированной 90 лет назад, основными источниками электродвижущей силы, поддерживающей потенциал ионосферы, служат облака, обладающие электрической структурой (прежде всего, кучево-дождевые и слоисто-дождевые), а зонами возвратных токов – области хорошей погоды [7]. О существования электрического поля в атмосфере Земли известно давно, известно так же, что полярность Земли, в отсутствие грозовых облаков, все еще поверхность несет на себе довольно значительный отрицательный верхний слой атмосферы электросфера (ионосфера) – заряжена положительно [8]. Электрическое поле атмосферы всегда вертикально, т.е. направлено вдоль от ионосферы к Земле. Атмосферное электрическое поле уменьшается летом и возрастает зимой, ночью поле больше его дневного значения; атмосферное электрическое поле увеличивается в горах, но, в целом, уменьшается с высотой и т.п. Электрическое поле обладает уникальной особенностью, которую необходимо выделить среди других. Большинство авторов считают ее само собой разумеющейся [8]. Речь идет о том, что величина практически постоянна для различных регионов Земли и различные время года. Факты, о которых речь шла выше: уменьшение величины летом и днем, и т.п., только подчеркивают эту особенность атмосферного электричества [8]. Многолетние наблюдения за распределением гроз по поверхности Земли, говорят совсем об обратном: количество гроз (а, значит, и разрядов молний) и их расположение на Земле, меняется день ото дня, причём, иногда - на порядок [8]. Исследования явлений атмосферного электричества были начаты Б.Франклином, Т.Ф. Далибаром, М.В. Ломоносовым и Б. Рихтером в середине 18 века. Основное внимание было сосредоточено на изучении молний и гроз: эти явление природы, естественно привлекали внимание многих ученых. Общепринято, что грозовые облака и разряды молний являются единственным, по крайней мере, - основным, источником атмосферного электричества. М.В. Ломоносов и П.Ш. Лемонье практически одновременно и независимо друг от друга обнаружили, что электрические явления в атмосфере происходят и в отсутствие грозовых облаков. С начало 20 века интерес к изучению молний и гроз сильно уменьшился. Основное внимание исследователей было сосредоточено на изучении электрического поля хорошей погоды. В 20-х годах прошлого века в исследовательских работах были обнаружены унитарные вариации атмосферного электрического, т.е. синхронные изменения напряженности поля величины, в целом по Земле. По предположению Ч.Т. Вильсона унитарная вариация вызвана грозами, которые приводят к заряжению Земли и высоких слоев атмосферы, зарядами разных знаков. Эти идеи были развиты Т. Уипплом и Э. Скрейзом, которые предположили, что суточный ход поля подобен суточному ходу площади поверхности материков Земли, занятой грозами. Эта модель объяснения унитарной вариации атмосферного электрического поля признана до сих пор [8]. За время прошедшее с тех пор, в мире созданы приборы и организовано сеть наземных станции. Несмотря на некоторый прогресс в техническом плане проблема атмосферного электрического поля в понимании физики этого явления, по большему счету, далеко не продвинулась [8]. Изучение атмосферного электричества показала взаимосвязь его с другими, в частотности, атмосферными процессами. В середине прошлого века проблема атмосферного электричества была очень популярна среди физиков. Именно в то время были сделаны фундаментальные работы и, в частности, вышли в свет известные книги П.Н. Тверского (1949) и Я.И. Френкеля (1949). Казалось, что проблема атмосферного электричества вот – вот будет решена, однако, надежды так и не оправдались [9]. Ни в России, ни за рубежом, не нашлось автора, который сумел бы убедить коллег в том, что его модель наиболее адекватна явлением атмосферного электричества [9]. В последнее время интерес к этой проблеме значительно уменьшился, книг и статей по атмосферному электричеству встречается все меньше и меньше, и поэтому имеет смысл, напомнить некоторые идеи и наиболее достоверные экспериментальные факты, имеющие отношение к рассматриваемой теме. Заметим, что отсутствие интереса к атмосферному электричеству, происходит на фоне настоящего бума, связанного недавно обнаруженными явлениями образования светящихся электрических разрядов между верхней частью грозового облако и ионосферой, получивших название спрайтов и синих струй [9]. Шаровая молния, несомненно, имеющая непосредственное отношение к атмосферному электричеству, - до сих пор возбуждает интерес исследователей. Возможно, ключом к пониманию физики таких феноменов как, шаровая молния, спрайты, унитарная вариация и прочие явления, присущие к атмосферному электричеству, может быть генерация некоторой общей физически непротиворечивой идеи, охватывающей все стороны явления с единой позиции [9]. Большинство исследователей сходятся во мнении, что атмосферное электричество взаимосвязано с разделением электрических зарядов в грозовом облаке. Принято считать, что возникновение электрических зарядов в атмосфере может быть обязано одному из трех источников, возможно так же их сочетание. К ним относятся: Галактические космические лучи (ГКЛ) и солнечные космические лучи (СКЛ), естественные радиоактивные источники почвы (радон, радионуклиды ториевого и уранового рядов) и возникновение заряда за счет фазовых переходов в воде [7]. Глобальная электрическая цепь. Главным героем атмосферного электричества считается глобальная электрическая цепь. Через все эти спрайты, джеты, гало в ионосферу течет электрический ток. Но куда он девается дальше? Ионосферу и землю можно считать проводниками [9]. В одном случае проводимость обеспечивают свободные электроны, возникающие под действием жесткого солнечного излучения, в другом ионы соленой воды, пропитывающей землю. При разрядах ток может протекать и по воздуху, но ведь в остальное время воздух — хороший изолятор. Прямо в чистом поле в любую погоду стоят ничем не защищенные высоковольтные линии электропередач напряжением до 500 000 вольт [9]. Провода находятся на расстоянии всего нескольких метров друг от друга, но не сгорают от короткого замыкания через воздух. Да, воздух — изолятор, но все же не идеальный. Ничтожное количество свободных зарядов в воздухе есть, и этого достаточно, чтобы замкнуть глобальную электрическую цепь (ГЭЦ) [9]. Модель ГЭЦ предложил еще в 1925 году тот самый Чарльз Вильсон, который через 30 лет просил обратить внимание на высотные разряды над облаками (видимо, на спрайты), а его не послушали. Ч. Вильсон рассматривал поверхность Земли и ее ионосферу как две огромные обкладки сферического конденсатора. Разность потенциалов между ними составляет 300—400 киловольт [9]. Под действием этого напряжения к земле по воздуху постоянно течет электрический ток силой около 1000 ампер [9]. Эта цифра может показаться внушительной, но ток распределен по всей поверхности планеты, так что на каждый квадратный километр воды или суши приходится всего пара микроампер, а по мощности вся атмосферная цепь сравнима с одной турбиной крупной гидроэлектростанции [9]. Электродвижущей силой, «пламенным мотором», который заряжает ионосферу положительно, а землю — отрицательно, служат грозы. Внутри грозового облака разность потенциалов гораздо выше, чем между ионосферой и землей. Создается она за счет разделения зарядов в теплых и влажных восходящих потоках, которые возникают в атмосфере над нагретой Солнцем земной поверхностью. По еще не вполне ясным причинам самые мелкие водяные капли, и ледяные кристаллики заряжаются положительно, а более крупные — отрицательно. Восходящие потоки легко выносят мелкие положительно заряженные частицы на большую высоту, а крупные, проваливаясь под действием своей тяжести, в основном остаются внизу. Разность потенциалов между заряженными областями внутри электризованных облаков может достигать миллионов вольт, а напряженность поля — 2000 в/м [9]. Словно перезаряжаемые Солнцем батарейки, облака питают всю глобальную электрическую цепь. Бьющие из подошвы облака молнии, как правило, несут к земле отрицательный заряд, а сверху положительный стекает в ионосферу, поддерживая разность потенциалов в глобальном атмосферном конденсаторе [9]. Прямо сейчас над планетой гремит 1500 гроз, каждые сутки небо прочерчивают 4 миллиона молний, ежесекундно — 50 [9]. Из космоса хорошо видно, как пульсирует сердце глобальной электрической цепи. Но молнии — это лишь самые заметные проявления ГЭЦ. Они подобны искрящему контакту в розетке, который трещит и вспыхивает, тогда, как по проводам электричество течет незаметно. Токи, идущие в ионосферу от заряженных облаков (причем даже не только грозовых, но и от слоистых), сами по себе обычно не порождают зрелищных эффектов, но иногда, под влиянием особенно мощных молний, эта часть ГЭЦ ненадолго визуализируется. При разряде молнии во все стороны от нее распространяется сильное возмущение электрического поля. В нижних слоях атмосферы, где нет свободных электронов, эта волна не производит никаких эффектов. На высотах более 50 километров немногочисленные имеющиеся в воздухе свободные электроны начинают разгоняться под воздействием импульса электрического поля [9]. Следует подчеркнуть, что природных систем, подверженных влиянию климатических изменений ГЭЦ занимает уникальное место. Во-первых, как уже отмечалось, благодаря особому характеру распределения проводимости по высоте глобальная цепь на масштабе планеты естественным образом усредняет разность потенциалов между Землёй и ионосферой, определяя, таким образом, глобальный индекс – ионосферный потенциал, величина которого зависит от уровня глобальной грозовой активности. Во-вторых, грозовое облака представляют собой экстремальное погодное явление, сопровождающееся разрушительными ливнями, шквалами, градом, - естественно, что изучение климатических трендов экстремальных явлений вызывает особый интерес. В-третьих, существует ряд физических явлений на климат. Поэтому необходимо исследовать как сами эти механизмы, так и обратные связи между атмосферными электрическими явлениями и изменениями состояния климатической системы. В последнее время одним из важнейших инструментов изучения климата и его изменений стали физико-математические модели высокого разрешения [7]. Глобальная атмосферно-электрическая цепьопределяет в атмосфере баланс электрических токов, условия поддержания электрического поля, а также структуру электрических полей и токов. Данные многолетних измерений электрических характеристик атмосферы вблизи поверхности Земли указывают на существование электрического поля. Эти параметры определяются в так называемых условиях хорошей погоды, т.е. при отсутствии в данном районе Земли облаков, ветров, метелей. Согласно современным представлениям, основным источником электрического поля в тропосфере и стратосфере являются грозовые облака. Грозовые облака действуют как токовые генераторы. Возможно, что грозовые облака не единственные генераторы, поддерживающие электрическое поля атмосферы (ионосферы и магнитосферы), облаков слоистых форм, конвективного токового генератора, действующего в пограничном слое атмосферы. Отметим, что в областях существование грозовых облаков текут токи, заряжающие атмосферу, в областях, свободных от грозовых облаков, текут токи разрядки [10]. Важную роль в исследовании электрических процессов в атмосфере играет ее электропроводящие свойства. Ионный состав атмосферы в нижнем слое довольно сложен. Имеется целый спектр ионов, которые представляют собой комплексы молекул, несущих заряд, равный элементарному заряду. Атмосферные ионы различаются химической природой входящих в них молекул, коэффициентом диффузии, подвижностью. [8]. 1.3 Гроза – как проявление глобальной электрической цепи Со времени установления электрической природы грозы было предложено огромное количество ее теорий. Для объяснения возникновения грозового электричества использовались, можно сказать без преувеличений, все механизмы электризации, когда-либо открытые человечеством. Достаточно было появиться сообщению о каком-либо механизме электризации тел, как его тотчас же привлекали в качестве основного механизма образования грозового электричества [10]. Главным источником электрического тока является грозовое облако, вверху которого скапливается положительный заряд, внизу отрицательный. Грозы распределены по поверхности Земли неравномерно, однако, именно их пространственное размещение обеспечивает возможность унитарной вариации атмосферного электричества [10]. В настоящее время основными экспериментальными фактами, подтверждающими существование глобальной цепи, наряду с унитарной вариацией, можно считать: 1). Постоянство плотности тока с высотой вплоть до высот в несколько десятков км значения плотностей тока положительных и отрицательных носителей остаются постоянными; 2). Близкие значения разности потенциалов земля – ионосфера, измеренной одновременно в глобально разнесенных точках. Фундаментальной проблемой формирования ГЭЦ является изучение основных генераторов поддерживающих ионосферный потенциал, и их суточный и сезонной вариации. В последнее время большое внимание привлекли так называемые слоисто-дождевые облака, не сопровождаемыми грозой, но обладающие развитой электрической структурой. Особенно они формируются над океаном [10]. Мы подошли к одной из самых волнующих загадок атмосферного электричества - к вопросу о том, как устроена единая атмосферная "электрическая машина". В самом деле, электричество хорошей погоды неразрывно связано с грозовым электричеством и составляет часть распределенного токового контура - глобальной электрической цепи (ГЭЦ, рис.1) [10]. Физической причиной формирования ГЭЦ в атмосфере служит резкий рост проводимости воздуха с высотой. Вблизи поверхности Земли проводимость воздуха очень мала, что соответствует концентрации легких ионов. С ростом высоты благодаря увеличению уровня ионизации, определяемого до 40 км галактическими космическими лучами, а выше - ультрафиолетовым и рентгеновским излучением Солнца, проводимость растет почти экспоненциально с характерным масштабом 6 км. Уже на высоте D-слоя ионосферы (около 80 км) она увеличивается более чем на 10 порядков по сравнению с тропосферой. Проводимость земли в поверхностном слое (и тем более воды в океане) тоже превышает проводимость пограничного слоя атмосферы. Таким образом, постоянно функционирующие грозовые генераторы оказываются сосредоточенными в достаточно узком слабо проводящем слое между земной поверхностью и ионосферой [15]. Рисунок 1 - Схематическое изображение глобальной атмосферной электрической цепи [15] Часто при упрощенном описании ГЭЦ земная поверхность и нижняя граница ионосферы (около 60-70 км) рассматриваются как обкладки гигантского сферического конденсатора, который разряжается в областях хорошей погоды и заряжается в областях грозовой активности. При этом квазистационарные токи зарядки не замыкаются полностью на землю вблизи грозовых облаков, а частично "затягиваются" в вышележащую область высокой проводимости и растекаются по ионосфере. Считается, что именно квазистационарные токи в первую очередь "несут ответственность" за поддержание разности потенциалов между ионосферой и землей. Так как верхняя часть большинства грозовых облаков имеет положительный заряд, потенциал ионосферы также оказывается положительным, и в областях хорошей погоды электрическое поле направлено вниз, обусловливая тем самым токи проводимости, замыкающие ГЭЦ. Если бы действие генераторов прекратилось, разность потенциалов между поверхностью Земли и ионосферой исчезла бы за время около 8 мин [15]. Для понимания работы ГЭЦ нужны адекватные модели грозовых генераторов, дающие возможность рассчитывать квазистационарные и импульсные токи, а также вклад генераторов в энергетику глобальной цепи. Недавно в институтах прикладной физики были предложены новые методы моделирования распределенных квазистационарных источников, позволяющий учесть особенности строения реальных грозовых систем и оценить их полный квазистационарный ток, текущий в ионосферу [13]. С учетом последних экспериментальных данных и основанных на них теоретических оценок было создано новое описание глобальной атмосферной электрической цепи как открытой диссипативной системы, поддерживаемой в состоянии динамического равновесия поступающим в нее потоком энергии, в первую очередь энергии излучения Солнца. Установлено, что электрическая энергия генерируется преимущественно в областях пониженного атмосферного давления и в зонах холодных фронтов. Средняя скорость диссипации электрической энергии превышает скорость рассеяния энергии в тектонических и магматических процессах и характеризует ГЭЦ как чрезвычайно динамичную систему с очень малым временем обновления электрической энергии. Процесс трансформации энергии в атмосфере сопровождается генерацией диссипативных структур различных масштабов, в частности конвективных систем и аэроэлектрических структур, что наглядно можно представить в виде «пирамид» накопления электрической энергии и ее диссипации в атмосфере [14]. Судя по всему, в ближайшее время изучение энергетики, структуры и динамики глобальной электрической цепи будет оставаться одной из наиболее актуальных проблем атмосферного электричества. |