Глобальная атмосферная электрическая цепь

Непрерывное движение носителей заряда атмосферы между верхним проводящим слоем и поверхностью

Глобальная атмосферная электрическая цепь — это непрерывное движение атмосферных носителей заряда, таких как ионы, между верхним проводящим слоем (часто ионосферой ) и поверхностью. Концепция глобальной цепи тесно связана с атмосферным электричеством , но не все атмосферы обязательно имеют глобальную электрическую цепь. ^[2] Основная концепция глобальной цепи заключается в том, что через баланс гроз и ясной погоды атмосфера подвергается постоянному и существенному электрическому току .

В основном грозы по всему миру переносят отрицательные заряды к земле, которые затем постепенно разряжаются через воздух вдали от грозы в условиях, которые называются «ясной погодой». ^[1]

Эта атмосферная цепь является центральной для изучения физики атмосферы и метеорологии . ^[3] Глобальная электрическая цепь также имеет отношение к изучению здоровья человека и загрязнения воздуха из-за взаимодействия ионов и аэрозолей . Влияние изменения климата и температурной чувствительности электрической цепи Земли в настоящее время неизвестны. ^[4]

История

История глобальной атмосферной электрической цепи переплетена с историей атмосферного электричества . Например, в 18 веке ученые начали понимать связь между молнией и электричеством. В дополнение к культовым экспериментам с воздушными змеями Бенджамина Франклина и Томаса-Франсуа Далибара , некоторые ранние исследования заряда в «безоблачной атмосфере» (т. е. в хорошую погоду) были проведены Джамбатистой Беккарией , Джоном Кантоном , Луи-Гийомом Ле Монье и Джоном Ридом . ^[5]

Измерения при хорошей погоде с конца 18 века и далее часто обнаруживали последовательные суточные колебания. В 19 веке было сделано несколько длинных серий наблюдений. Измерения вблизи городов были (и все еще остаются) в значительной степени подвержены влиянию дымового загрязнения. В начале 20 века подъёмы на воздушных шарах давали информацию об электрическом поле значительно выше поверхности. Важная работа была проделана исследовательским судном Carnegie , которое производило стандартизированные измерения вокруг мировых океанов (где воздух относительно чистый).

CTR Wilson был первым, кто представил концепцию глобальной цепи в 1920 году. ^[6]

Механизм

Молния

В день по всему миру происходит около 40 000 гроз, что приводит к примерно 100 ударам молний в секунду, ^[1] которые, как можно считать, заряжают Землю как аккумулятор. Грозы создают разность электрических потенциалов между поверхностью Земли и ионосферой, в основном посредством тока возврата молнии на землю. Из-за этого ионосфера положительно заряжена относительно земли. Следовательно, всегда существует небольшой ток величиной около 2 пА на квадратный метр, переносящий заряженные частицы в форме атмосферных ионов между ионосферой и поверхностью.

Хорошая погода

Этот ток переносится ионами , присутствующими в атмосфере (генерируемыми в основном космическими лучами в свободной тропосфере и выше, а также радиоактивностью в нижних 1 км или около того). Ионы делают воздух слабопроводящим; различные местоположения и метеорологические условия имеют различную электропроводность . Ясная погода описывает атмосферу вдали от гроз, где протекает этот слабый электрический ток между ионосферой и землей. ^[7]

Измерение

Напряжения , задействованные в цепи Земли, значительны. На уровне моря типичный градиент потенциала в ясную погоду составляет 120 В/м. Тем не менее, поскольку проводимость воздуха ограничена, связанные с ним токи также ограничены. Типичное значение составляет 1800 А по всей планете. Когда нет дождя или шторма, количество электричества в атмосфере ^{[ необходимо разъяснение ]} обычно составляет от 1000 до 1800 ампер. В ясную погоду на квадратный километр приходится около 3,5 микроампер (9 микроампер на квадратную милю). ^[8]

кривая Карнеги

Электрический ток Земли изменяется в соответствии с суточным графиком, называемым кривой Карнеги, вызванным регулярными суточным изменением электризации атмосферы, связанным с бурными регионами Земли. ^[9] График также показывает сезонные изменения, связанные с солнцестояниями и равноденствиями Земли. Он был назван в честь Института науки Карнеги .

Смотрите также

Внешние источники

Публикации

Ле Монье, Л.-Ж.: «Наблюдения за электричеством в воздухе», Histoire de l'Académie royale des Sciences (1752) , стр. 233 и далее. 1752.
Свен Израэльссон, О концепции благоприятных погодных условий в атмосферном электричестве. 1977.
Огава, Т., «Электричество в хорошую погоду». J. Geophys. Res., 90, 5951–5960, 1985.
Валин, Л., «Элементы электричества хорошей погоды». J. Geophys. Res., 99, 10767-10772, 1994
Р. Бент, В. К. А. Хатчинсон, Измерения электрического пространственного заряда и электродный эффект на высоте 21-метровой мачты . J. Atmos. Terr. Phys., 196.
Беспалов П.А., Чугунов Ю.В. и Давыденко С.С., Планетарный электрогенератор в условиях ясной погоды с атмосферной проводимостью, зависящей от высоты , Журнал атмосферной и земной физики, т.58, №5, с. 605–611, 1996
Д. Г. Йерг, К. Р. Джонсон, Короткопериодные колебания в электрическом поле хорошей погоды . J. Geophys. Res., 1974.
Т. Огава, Суточные вариации атмосферного электричества . J. Geomag. Geoelect, 1960.
Р. Рейтер, Связь между атмосферными электрическими явлениями и одновременными метеорологическими условиями . 1960
J. Law, Ионизация атмосферы у земли в ясную погоду . Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 1963
Т. Маршалл, В. Д. Раст, М. Штольценбург, В. Редер, П. Кребим. Исследование усиленных электрических полей в хорошую погоду, возникающих вскоре после восхода солнца .
Р. Марксон, Модуляция электрического поля Земли космическим излучением . Природа , 1981
Кларк, Джон Фулмер, Электрический потенциал атмосферы в хорошую погоду и его градиент .
П. А. Беспалов, Ю. В. Чугунов и С. С. Давыденко, Планетарный электрогенератор в условиях ясной погоды с зависящей от высоты атмосферной проводимостью .
AM Selva и др., Новый механизм поддержания электрического поля в хорошую погоду и электрификации облаков .
М. Дж. Райкрофт, С. Израэльссон и К. Прайс, Глобальная атмосферная электрическая цепь, солнечная активность и изменение климата .
A. Мэри Селвам, А. С. Рамачандра Мурти, Г. К. Манохар, С. С. Кандалгаонкар, Б. В. Рамана Мурти, Новый механизм поддержания электрического поля хорошей погоды и электрификации облаков . arXiv:physics/9910006
Огава, Тосио, Электричество при хорошей погоде . Журнал геофизических исследований, том 90, выпуск D4, стр. 5951–5960.
Влияние полярных сияний на электрическое поле хорошей погоды . Nature 278, 239–241 (15 марта 1979 г.); doi :10.1038/278239a0
Беспалов П.А.; Чугунов, Ю. В., Вращение плазмосферы и происхождение атмосферного электричества . Физика – Доклады, том 39, выпуск 8, август 1994 г., стр. 553–555.
Беспалов П.А.; Чугунов Ю.В.; Давыденко С.С. Планетарный электрогенератор в условиях ясной погоды с зависящей от высоты атмосферной проводимостью // Журнал атмосферной и земной физики.
А. Дж. Беннетт, Р. Г. Харрисон, Простой атмосферный электрический прибор для образовательных целей

Ссылки

^ abc Электричество в атмосфере – Фейнмановские лекции
^ Аплин, К. Л. (2022). «Заряд сфер». Астрономия и геофизика . 63 (4): 4.12 – 4.17 .
^ Харрисон, RG (1 ноября 2004 г.). «Глобальная атмосферная электрическая цепь и климат». Surveys in Geophysics . 25 (5): 441– 484. arXiv : physics/0506077 . doi :10.1007/s10712-004-5439-8. ISSN 1573-0956.
^ "Впитывание атмосферного электричества | Science Mission Directorate". science.nasa.gov . Получено 5 ноября 2017 г. .
^ Беннетт, А. Дж.; Харрисон, Р. Г. (1 октября 2007 г.). «Атмосферное электричество в различных погодных условиях». Weather . 62 (10): 277– 283. Bibcode :2007Wthr...62..277B. doi : 10.1002/wea.97 . ISSN 1477-8696.
^ Аплин, К. Л.; Харрисон, Р. Г.; Райкрофт, М. Дж. (1 июня 2008 г.). «Исследование атмосферного электричества Земли: ролевая модель для планетарных исследований». Space Science Reviews . 137 (1): 11– 27. doi :10.1007/s11214-008-9372-x. ISSN 1572-9672.
^ Харрисон, РГ; Николл, КА (1 ноября 2018 г.). «Критерии хорошей погоды для измерений атмосферного электричества» (PDF) . Журнал атмосферной и солнечно-земной физики . 179 : 239– 250. doi : 10.1016/j.jastp.2018.07.008 . ISSN 1364-6826.
^ Мэтью, Терри (2006). Элерт, Гленн (ред.). «Электрический ток через атмосферу». The Physics Factbook . Получено 25 января 2022 г. .
^ Харрисон, Р. Джайлс (1 марта 2013 г.). «Кривая Карнеги». Surveys in Geophysics . 34 (2): 209– 232. Bibcode : 2013SGeo...34..209H. doi : 10.1007/s10712-012-9210-2 . ISSN 0169-3298.

Внешние ссылки

Медиа, связанные с Глобальной атмосферной электрической цепью на Wikimedia Commons

[Feynman-1] Электричество в атмосфере – Фейнмановские лекции

[2] Аплин, К. Л. (2022). «Заряд сфер». Астрономия и геофизика . 63 (4): 4.12 – 4.17 .

[3] Харрисон, RG (1 ноября 2004 г.). «Глобальная атмосферная электрическая цепь и климат». Surveys in Geophysics . 25 (5): 441– 484. arXiv : physics/0506077 . doi :10.1007/s10712-004-5439-8. ISSN 1573-0956.

[nasa-4] "Впитывание атмосферного электричества | Science Mission Directorate". science.nasa.gov . Получено 5 ноября 2017 г. .

[5] Беннетт, А. Дж.; Харрисон, Р. Г. (1 октября 2007 г.). «Атмосферное электричество в различных погодных условиях». Weather . 62 (10): 277– 283. Bibcode :2007Wthr...62..277B. doi : 10.1002/wea.97 . ISSN 1477-8696.

[6] Аплин, К. Л.; Харрисон, Р. Г.; Райкрофт, М. Дж. (1 июня 2008 г.). «Исследование атмосферного электричества Земли: ролевая модель для планетарных исследований». Space Science Reviews . 137 (1): 11– 27. doi :10.1007/s11214-008-9372-x. ISSN 1572-9672.

[7] Харрисон, РГ; Николл, КА (1 ноября 2018 г.). «Критерии хорошей погоды для измерений атмосферного электричества» (PDF) . Журнал атмосферной и солнечно-земной физики . 179 : 239– 250. doi : 10.1016/j.jastp.2018.07.008 . ISSN 1364-6826.

[8] Мэтью, Терри (2006). Элерт, Гленн (ред.). «Электрический ток через атмосферу». The Physics Factbook . Получено 25 января 2022 г. .

[9] Харрисон, Р. Джайлс (1 марта 2013 г.). «Кривая Карнеги». Surveys in Geophysics . 34 (2): 209– 232. Bibcode : 2013SGeo...34..209H. doi : 10.1007/s10712-012-9210-2 . ISSN 0169-3298.