Știința modernă are un stoc relativ mare de cunoștințe despre atmosfera Pământului și varietatea de procese care au loc în aceasta. S-ar părea că toate acestea ar trebui bine cercetate și modelate meticulos în laboratoarele favorizate de oamenii de știință. Cu toate acestea, se dovedește că până acum nu există o imagine clară și fără ambiguitate a unui astfel de fenomen precum electricitatea atmosferică. Dimpotrivă, există mai multe modele, fiecare având avantajele și dezavantajele sale.
Un pic de istorie
Persoana care a stat la originile studiului și a confirmat științific, de fapt, existența acestui fenomen, este ideologul de renume mondial al formării Statelor Unite - Benjamin Franklin. Într-adevăr, electricitatea atmosferică ca fenomen fizic a fost înaintea lui în stadiul calculelor ipotetice. Unul dintre Părinții Fondatori ai Americii a fost primul care și-a arătat prezența în aer și a explicat și motiveleapariția fulgerelor. Cel mai interesant lucru despre această poveste este faptul că Franklin a folosit un zmeu cu un fir special ascuțit pentru a dovedi acest lucru.
Prin colectarea energiei electrice în acest fel, a primit o descărcare de scânteie, deschizând cheia în cel mai simplu circuit de împământare. O modalitate simplă de a demonstra prezența particulelor încărcate în atmosferă, însă, nu slăbește în niciun fel meritele acestui mare politician, precum și a omului de știință, în descoperirea fenomenului natural luat în considerare aici. Ulterior, fizicienii din întreaga lume au început să-și confirme rezultatele cu propriile experimente de acest fel.
Ce este electricitatea atmosferică?
Aceasta este o combinație de diferite procese cauzate de prezența particulelor încărcate în aerul din jurul Pământului. Oamenii de știință investighează fenomene precum câmpul electric al atmosferei, intensitatea acestuia, curenții care există în legătură cu aceasta, încărcăturile spațiale și multe alte puncte. De exemplu, factorii meteorologici, de mediu, impactul asupra diferitelor ramuri ale activității antropologice umane: aviație, industrie, agricultură etc.
Analogia fizică convenabilă
Planeta noastră într-o aproximare foarte aproximativă este un condensator sferic uriaș. Acesta este cel mai simplu dispozitiv care poate stoca energie electrică. Ionosfera și suprafața pământului în sine pot fi considerate plăci ale unui condensator gigant. În acest caz, aerul acționează ca un izolator, care în condiții normale areconductivitate electrică foarte scăzută. Suprafața Pământului este încărcată negativ, în timp ce ionosfera este încărcată pozitiv.
Ca între plăcile unui condensator convențional, aici se formează un câmp electric, care are caracteristici complet unice. De exemplu, intensitatea sa este maximă lângă suprafața pământului, scăzând exponențial odată cu creșterea înălțimii. Apropo, deja la 10 kilometri deasupra nivelului mării, valoarea sa este de 30 de ori mai mică. Acest domeniu formează, practic, întreaga varietate de fenomene, unite sub denumirea generală de „electricitate atmosferică”.
Acesta este unul dintre cele mai comune modele din lumea științifică modernă. Se numește teoria lui Wilson. Există și o ipoteză înaintată de omul de știință sovietic Frenkel, conform căreia ionosfera nu joacă niciun rol semnificativ în crearea câmpului electric. El credea că se formează în principal datorită interacțiunii suprafeței pământului și a norilor, precum și polarizării acestora.
Generator natural
Dar dacă revenim la modelul condensatorului, care oferă nu doar o analogie bună, ci și posibilități teoretice de creare a surselor de energie practic liberă, atunci electricitatea atmosferică se manifestă în doar câteva procese de bază. Luați în considerare cele mai importante.
În primul rând, aceștia sunt așa-numiții curenți de scurgere. În ceea ce privește un condensator convențional, acestea sunt fenomene parazitare care îi reduc eficiența în stocarea sarcinii. În cazul atmosferei, aceștia sunt curenți convectivi formați, de exemplu, înzone cu uragane și furtuni. Puterea lor ajunge la zeci de mii de amperi și, în ciuda acestui fapt, diferența de potențial dintre suprafața pământului și ionosferă nu suferă modificări semnificative, păstrând, desigur, puterea câmpului. Într-un circuit electric care conține un condensator, acest lucru este posibil numai cu un generator suplimentar.
Urmând logica, merită să presupunem prezența a ceva similar în cazul atmosferei Pământului. Într-adevăr, există o astfel de sursă de energie. Acesta este câmpul magnetic al planetei noastre, care, rotindu-se cu el într-un flux de radiație solară, creează un generator puternic. Apropo, există o idee de a-și folosi energia, folosind doar electricitatea atmosferică. Energia liberă este un stimul incredibil de puternic pentru dezvoltarea gândirii științifice în toate domeniile activității umane. Această tendință nu a ocolit fizica fenomenelor atmosferice. Dar mai multe despre asta mai târziu.
furtuni
Următorul proces interesant și important în atmosferă este descărcările de gaze scânteie care însoțesc furtunile. Ca și curenții convectivi, acesta este un fenomen parazit din punctul de vedere al modelului condensator al câmpului electric creat între suprafața Pământului și ionosferă. Și acest lucru, din păcate, este departe de a fi limitat la impactul negativ al fenomenelor de descărcare în atmosferă. Aici trebuie remarcat pericolul fulgerului pentru obiectele terestre cu activitate antropică, inclusiv impactul distructiv al șocurilor și supraîncărcărilor termice care însoțesc acest fenomen formidabil.
fermoare
Dovada naturii electrice a fulgerului, dovedită atât de elegantFranklin, formează o întrebare logică. Cel mai probabil, i-a îngrijorat chiar și pe contemporanii părintelui fondator. Deci, electricitatea atmosferică este tensiune în altă sau joasă?
Conform modelului de condensator deja menționat, diferența de potențial dintre plăci la scară planetară ar trebui să formeze un câmp electric. Într-adevăr, suprafața încărcată negativ a Pământului, pe de o parte, și ionosfera încărcată pozitiv formează un câmp de mare intensitate. Fenomenele electrice din nori creează încărcături spațiale uriașe doar în partea inferioară a atmosferei. Prin urmare, puterea câmpului de la suprafața pământului este mult mai mare decât, de exemplu, la o înălțime de 10 km.
Evident, un câmp electric de această intensitate generează curenți puternici de descărcare pe care un observator neexperimentat îi poate vedea în timpul unei furtuni obișnuite la latitudini medii. Prin urmare, tensiunea în canalul de descărcare este mare.
Luminile Sf. Elmo
Pe lângă scânteie, în atmosferă există o descărcare de coroană, care, datorită tradiției istorice, se numește focurile Sf. Elm. Arată ca niște perii sau fascicule luminoase la capetele obiectelor în alte, precum catarge de nave, turnuri etc. Mai mult, acest fenomen poate fi observat doar în întuneric. Motivul apariției luminilor Sf. Elm este o creștere a intensității câmpului electric al mediului, de exemplu, la apropiere sau în timpul unei furtuni, furtuni, furtuni de zăpadă etc.
O astfel de descărcare poate fidestul de ușor să ajungi acasă. Într-adevăr, electricitatea atmosferică este o chestiune foarte simplă. De exemplu, poți să scoți un pulover sintetic și să începi să-i aduci un ac. De la o anumită distanță, la vârf va apărea o descărcare, care poate fi observată clar în întuneric complet.
Minge de foc
O altă manifestare de furtună este o descărcare de gaze, de obicei având o formă sferică. Vorbim despre fulgerul cu minge, care este un fenomen natural unic și foarte rar. Oamenii de știință încă nu se pot pune de acord asupra unei justificări teoretice adecvate pentru existența acestui fenomen. Și până în 2012, nu a existat nicio dovadă documentară a realității fulgerelor cu minge. Oricum ar fi, acesta este un alt mister al atmosferei Pământului cu care oamenii de știință încă se luptă.
Factor de mediu
S-a spus deja mai sus despre impactul fulgerelor asupra diferitelor tipuri de activități umane. Electricitatea atmosferică ca factor de mediu este un punct foarte important, care ar trebui de asemenea discutat. Din punct de vedere al dezvoltării umane a diverselor resurse oferite de planeta Pământ, mediul aerian îi oferă posibilitatea de a-și menține existența ca specie.
Prezența unui câmp electric în atmosferă are multe consecințe neplăcute asupra activităților umane. Unele dintre ele sunt destul de inofensive, dar multe manifestări obligă cele mai bune minți inginerești să vină cu modalități eficiente de a calma forțe formidabile.natura.
Siguranța vieții
Electricitatea atmosferică și protecția împotriva acesteia este cea mai importantă problemă care ar trebui discutată în contextul ecologiei. Desigur, cele mai periculoase sunt cele mai puternice descărcări de scântei, precum fulgerele. Și acest lucru se aplică nu numai soiurilor lor terestre. Fulgerele intra-nori reprezintă o anumită amenințare pentru aviația civilă și militară. Într-un fel sau altul, toate fenomenele atmosferice de descărcare sunt supuse observării îndeaproape și prevenirii posibilelor daune. Acest lucru se realizează prin servicii speciale de inginerie din aceeași aviație, construcții navale sau protecție împotriva trăsnetului a clădirilor, centralelor electrice etc.
Energie gratuită
În sfârșit, să revenim la problema energiei practic libere pe care o poate furniza electricitatea atmosferică. Tesla, celebrul maestru al fulgerului, a făcut o cantitate imensă de cercetări pentru a pune în practică acest fenomen natural. Munca lui nu a fost în zadar. Inginerii moderni brevetează diferite metode de producere a energiei datorită faptului că există un câmp electric puternic lângă suprafața pământului.
Un exemplu izbitor este un circuit cu un conductor împământat instalat vertical, între capetele superioare și inferioare ale căruia apare o diferență de potențial datorită aceleiași prezențe a câmpului. Această energie creată de acesta poate fi extrasă prin formarea unei descărcări corona controlate la capătul superior al conductorului. Ca rezultat, curentul poate fi menținut în conductor, ceea ce înseamnă că este sigur să conectați un consumator la acesta.
Astfel, electricitatea atmosferică, în ciuda amenințărilor existente la adresa activității antropice normale, deschide, de asemenea, perspective mari de a oferi întregii omeniri energie practic gratuită.
