Сучасна наука має відносно великий запас знань про атмосферу Землі і різноманітність процесів, що відбуваються в ній. Здавалося б, все це має бути добре досліджено і дотепно змодельовано в улюблених вченими лабораторіях. Однак на повірку виявляється, що до теперішнього моменту немає чіткої, однозначної картини такого явища, як атмосферна електрика. Навпаки, є кілька моделей, кожна з яких має свої плюси і мінуси.
Трохи історії
Людиною, яка стояла біля витоків дослідження і науково підтвердила, власне, існування цього явища, є всесвітньо знаменитий ідспондент становлення Сполучених Штатів - Бенджамін Франклін. Дійсно, атмосферна електрика як фізичне явище знаходилася до неї в стадії гіпотетичних викладок. Один із батьків-засновників Америки першим показав його присутність у повітрі, а також пояснив причини виникнення блискавок. Найцікавіше в даній історії - той факт, що Франклін використовував для доказу паперового змія зі спеціальним загостреним дротом на ньому.
Збираючи таким чином електрику, він отримував іскровий розряд, розмикаючи ключ у найпростішій схемі заземлення. Нехитрий спосіб доведення наявності в атмосфері заряджених частинок, однак, нітрохи не применшує заслуг цього великого політика, а також вченого у відкритті розглянутого тут явища природи. Надалі фізики по всьому світу стали підтверджувати отримані результати власними експериментами подібного роду.
Що таке атмосферна електрика?
Це сукупність різноманітних процесів, що викликаються наявністю заряджених частинок у повітрі, що оточує Землю. Вчені досліджують такі явища, як електричне поле атмосфери, його напруженість, струми, існуючі в зв'язку з цим, об'ємні заряди і багато інших моментів. Наприклад, метеорологічні, екологічні чинники, вплив на різні галузі антропологічної активності людства: авіацію, промисловість, сільське господарство тощо.
Зручна фізична аналогія
Наша планета в дуже грубому наближенні є величезним сферичним конденсатором. Це найпростіший прилад, здатний зберігати електричну енергію. В якості обкладок гігантського конденсатора можна розглядати іоносферу і саму земну поверхню. При цьому ізолятором виступає повітря, яке в звичайних умовах володіє дуже низькою електричною провідністю. Поверхня Землі заряджена негативно, а іоносфера - позитивно.
Як і між обкладками звичайного конденсатора, тут формується електричне поле, що володіє абсолютно унікальними характеристиками. Наприклад, його напруженість максимальна біля земної поверхні, експоненційно зменшуючись зі збільшенням висоти. До слова, вже за 10 кілометрів над рівнем моря її значення у 30 разів нижче. Дане поле в основному і формує все різноманіття явищ, об'єднаних під загальною назвою «атмосферна електрика».
Це одна з поширених у сучасному науковому світі моделей. Вона називається теорією Вільсона. Також є гіпотеза, висунута радянським вченим Френкелем, згідно з якою іоносфера не грає скільки-небудь істотної ролі у створенні електричного поля. Він вважав, що воно формується здебільшого за рахунок взаємодії земної поверхні і хмар, а також їх поляризації.
Природний генератор
Але якщо повертатися до конденсаторної моделі, яка надає не тільки хорошу аналогію, але і теоретичні можливості для створення джерел практично дарової енергії, то атмосферна електрика проявляється всього лише в декількох основних процесах. Розгляньмо найважливіші.
В першу чергу це так звані струми витоку. Що стосується звичайного конденсатора, це паразитні явища, що знижують його ефективність у збереженні заряду. У випадку з атмосферою це конвективні струми, що утворюються, наприклад, в ураганних і грозових областях. Їх сила досягає десятків тисяч ампер, і, незважаючи на це, різність потенціалів між земною поверхнею та іоносферою не відчуває будь-яких значних змін, зберігаючи, природно, і напруженість поля. В електричному ланцюгу, що містить конденсатор, таке можливо тільки за наявності додаткового генератора.
Дотримуючись логіки, варто припустити наявність чогось подібного і у випадку з атмосферою Землі. І дійсно, таке джерело енергії є. Це магнітне поле нашої планети, яке, обертаючись разом з нею в потоці сонячного випромінювання, створює потужний генератор. До речі, є ідея використання його енергії, задіюючи якраз атмосферну електрику. Безкоштовна енергія - це неймовірно потужний стимул розвитку наукової думки в усіх галузях людської діяльності. Не оминула ця тенденція і фізику атмосферних явищ. Але про це - трохи пізніше.
Грози
Наступний цікавий і важливий процес, що відбувається в атмосфері, - це іскрові газові розряди, що супроводжують грози. Як і конвективні струми, це паразитне явище з точки зору конденсаторної моделі електричного поля, створюваного між поверхнею Землі та іоносферою. І цим, на жаль, далеко не обмежується негативний вплив розрядних явищ в атмосфері. Тут слід зазначити небезпеку блискавок для наземних об'єктів антропогенної діяльності, включаючи руйнівний вплив ударних і теплових перевантажень, що супроводжують цей грізний феномен.
Блискавки
Очевидність електричної природи блискавок, так витончено доведена Франкліном, формує одне закономірне питання. Швидше за все, він хвилював ще сучасників батька-засновника. Отже, атмосферна електрика - це висока або низька напруга?
Згідно вже згаданої конденсаторної моделі, різність потенціалів між обкладками планетарного масштабу повинна формувати електричне поле. Дійсно, негативно заряджена поверхня Землі з одного боку і позитивно заряджена іоносфера формують поле великої напруженості. Електричні явища в хмарах створюють величезні об'ємні заряди якраз у нижній частині атмосфери. Тому напруженість поля біля земної поверхні набагато більша, ніж, наприклад, на висоті 10 км.
Очевидно, електричне поле такої інтенсивності формує потужні розрядні струми, які недосвідчений спостерігач може бачити під час звичайної грози в середніх широтах. Тому напруга в каналі розряду висока.
Вогні Святого Ельма
Крім іскрового, в атмосфері спостерігається коронний розряд, який, в силу історичної традиції, називається вогнями Святого Ельма. Виглядає це як пензлі або пучки, що світяться на кінцях високих предметів, на зразок щогл кораблів, веж і т. п. Причому спостерігати це явище можна тільки в темряві. Причиною появи вогнів Святого Ельма є підвищення напруженості електричного поля навколишнього середовища, наприклад, при наближенні або під час грози, шторму, хуртовини тощо.
Подібний розряд можна досить легко отримати в домашніх умовах. Дійсно, атмосферна електрика своїми руками - справа зовсім нескладна. Наприклад, можна зняти синтетичний светр і почати підносити до нього голку. З певної відстані на її кінчику з'явиться розряд, який можна добре спостерігати в повній темряві.
Шарова блискавка
Ще один грозовий прояв - газовий розряд, що зазвичай має сферичну форму. Йдеться про шарову блискавку, яка являє собою унікальний і дуже рідкісний природний феномен. Вчені досі не можуть зійтися в адекватному теоретичному обґрунтуванні існування цього явища. А аж до 2012 року взагалі не було документальних підтверджень реальності шарових блискавок. Як би там не було, це ще одна загадка земної атмосфери, над якою досі б'ються вчені.
Екологічний фактор
Вище вже говорилося про вплив блискавок на різні види діяльності людини. Атмосферна електрика як екологічний фактор являє собою дуже важливий момент, на якому також слід зупинитися. З точки зору освоєння людиною різноманітних ресурсів, що надаються їй планетою Земля, повітряне середовище дає їй можливість підтримувати існування як вид.
Наявність електричного поля в атмосфері має безліч неприємних наслідків для антропогенної діяльності. Деякі з них досить невинні, але багато проявів змушують кращі інженерні уми придумувати ефективні способи упокорення грізних сил природи.
Безпека життєдіяльності
Атмосферна електрика і захист від неї - найважливіше питання, яке слід обговорити в контексті екології. Природно, найнебезпечніші - найпотужніші іскрові розряди, на кшталт блискавки. Причому це стосується не тільки наземного їх різновиду. Внутрішньохмарні блискавки становлять певну загрозу для цивільної та військової авіації. Так чи інакше, всі розрядні атмосферні явища підлягають пильному спостереженню і запобіганню можливої шкоди. Цим займаються спеціальні інженерні служби в тій же авіації, кораблебудуванні або при блискавкозахисті будівель, енергетичних станцій тощо.
Безкоштовна енергія
Наостанок повернемося до питання практично безкоштовної енергії, яку може надати атмосферна електрика. Тесла, знаменитий володар блискавок, провів величезну кількість досліджень з метою практичного використання даного природного явища. Його праці не пропали даремно. Сучасні інженери патентують різні способи видобутку енергії у зв'язку з фактом наявності потужного електричного поля поблизу земної поверхні.
Яскравим прикладом може служити схема з вертикально встановленим заземленим провідником, між верхнім і нижнім кінцями якого з'являється різність потенціалів через все ту ж наявність поля. Цю енергію, створювану ним, можна витягувати, формуючи на верхньому кінці провідника контрольований коронний розряд. У підсумку в провіднику можна підтримувати струм, а значить, і сміливо підключати до нього споживача.
Таким чином, атмосферна електрика, незважаючи на наявні загрози нормальної антропогенної активності, також відкриває і чудові перспективи для забезпечення всього людства практично безкоштовною енергією.
