Электрическое поле и электрическая проводимость атмосферы

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Стр.

1. Введение………………………………………...…………………..2
2. Электрическое поле и электрическая проводимость атмосферы..2
3. Процессы, приводящие к электризации облачных элементов и осадков………………………………………………………………3
4. Распределение зарядов в облаках………………………………….4
5. Грозовые разряды и молнии……………………………………….4
6. Вывод………………………………………………………………..6
7. Список литературы..………………………………………………..6           

 Введение 

    Грозы, или грозовые бури, представляют собой локальные атмосферные возмущения, связанные с развитием кучево-дождевых облаков. Такие бури всегда сопровождаются громом и молниями и обычно сильными порывами ветра и ливневыми осадками. Иногда выпадает град. Большая часть гроз заканчивается быстро, и даже самые длительные из них редко продолжаются более одного-двух часов.

    Грозы возникают из-за атмосферной неустойчивости и связаны в основном с перемешиванием слоев воздуха, которые стремятся  достичь более устойчивого распределения  по плотности. Мощные восходящие потоки воздуха являются отличительной особенностью начальной стадии грозы. Сильные нисходящие движения воздуха в зонах ливневых осадков характерны для ее заключительной фазы. Грозовые облака часто достигают высоты 12–15 км в умеренных широтах и еще большей – в тропиках. Их вертикальный рост ограничен устойчивым состоянием нижних слоев стратосферы.

    Уникальным  свойством гроз является их электрическая  активность. Молния может наблюдаться  внутри развивающегося кучевого облака, между двумя облаками или между  облаком и землей. В действительности разряд молнии почти всегда состоит из нескольких разрядов, проходящих по одному и тому же каналу, причем они проходят так быстро, что воспринимаются невооруженным глазом как один и тот же разряд.

    Наша  задача состоит в том, чтобы объяснить  такое природное явление как гроза с точки зрения науки физика, то есть разъяснить, какие физические процессы способствуют образованию гроз.

Электрическое поле и электрическая проводимость атмосферы.

    Основной  характеристикой электрического поля атмосферы является напряжённость. У земной поверхности существует стационарное электрическое поле с напряжённостью в среднем равной около 130 В/м. Земля при этом имеет отрицательный заряд, равный около 3∙10⁵ Кл, а атмосфера в целом заряжена положительно. Однако при осадках и особенно грозах напряжённость поля может резко менять направление и значение 1000 В/м. Наибольшее значение напряженность имеет в средних широтах, а к полюсам и экватору убывает. С высотой напряжённость в основном уменьшается, однако вблизи земной поверхности, в так называемом слое перемешивания толщиной 300-3000 м, где скапливаются аэрозоли, напряжённость может с высотой возрастать. Выше слоя перемешивания напряжённость убывает с высотой по экспонециальному закону. Это убывание связано с тем, что в атмосфере содержатся положительные объёмные заряды, плотность которых также быстро убывает с высотой.

    Электрическое состояние атмосферы в значительной степени определяется её электрической  проводимостью, которая создаётся  ионами, находящимися в атмосфере. Электрическая  проводимость зависит от количества ионов, содержащихся в единице объёма и их подвижности. Электропроводность воздуха создаётся всеми ионами, находящимися в атмосфере, но так как подвижность тяжёлых ионов в десятки тысяч раз меньше подвижности лёгких. То их роль в электропроводности воздуха, как правило, ничтожно мала.

    Концентрация  лёгких ионов возрастает с увеличением  интенсивности ионизации и уменьшением  концентрации частиц в атмосфере, поэтому  концентрация лёгких ионов растёт с  высотой. Этот факт в сочетании с увеличением подвижности ионов при уменьшении плотности воздуха объясняет характер изменения напряжённости поля и проводимости атмосферы.

Процессы, приводящие к электризации                                                  облачных элементов и осадков.

    В облаках постоянно происходят процессы образования, роста, дробления капель и кристаллов, сопровождающиеся, как  правило, электризацией этих элементов. Электризация облаков зависит от их вертикальной мощности, скорости воздушных потоков в них, а также от наличия жидкой и твёрдой фаз воды. При этом в облаках образуются большие или меньшие объёмные заряды и появляется электрическое поле.

    При всём разнообразии механизмов электризации частиц их можно разделить на два  основных класса:

    1) электризация, связанная с захватами частицами облаков ионов, находящихся в воздухе;

    2) электризация, связанная с обменом  зарядами между частицами (возникающая  либо после разрыва контакта  между ними, либо после их разрушения).

    Электризация  того и другого классов протекает  по-разному в зависимости от присутствия или отсутствия внешнего электрического поля.

    Ионы, находящиеся в воздухе, диффундируют на частицы облаков. Поскольку процесс  диффузии носит случайный характер, то даже при равенстве концентраций ионов обеих полярностей и их подвижностей частицы облаков оказываются разноимённо заряженными. Неравенство концентраций или подвижностей ионов разных полярностей приводит к неравенству положительно и отрицательно заряженных частиц облаков. Подобного рода процессами заряжения обычно объясняют заряжение частиц туманов, облачных частиц слоистых недождящих облаков и других видов облаков, находящихся в начальной стадии развития.

    Другим  механизмом электризации облачных частиц является индукционный механизм. Согласно индукционной теории, каждая капля, находящаяся в электрическом поле, поляризована, то есть разноимённые заряды в ней разделены. Так как обычно Земля заряжена отрицательно, то в нижней части капли расположен положительный заряд, а в верхней – отрицательный. Если направление поля в атмосфере будет противоположным, то и поляризация капли будет обратной. При падении более крупные капли догоняют мелкие. При этом не всегда происходит их слияние. Иногда мелкая капля, скользя по поверхности большой, отрывается от её верхней части и уносит заряд соответствующего знака. В другом случае, если крупная капля, падая, деформируется, мелкая капля может оттолкнуться от её нижней части, унося заряд противоположного знака. Вследствие этого разные по величине капли приобретают заряды разного знака.

    В грозовых облаках, отличающихся большим  вертикальным развитием, быстрому росту зарядов капель может способствовать также их коагуляция, так как заряды коагулирующих капель складывается.

    Описанные выше процессы приводят не только к  электризации облачных элементов, но и  к разделению и накоплению одноимённых  зарядов в разных частях облака. 

    Распределение зарядов в облаках. 

    Разделение  электрических зарядов в облаках  происходит под воздействием следующих  факторов: 1) силы тяжести вследствие неодинаковой скорости падения частиц разного размера и веса; 2) воздушных  течений, как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении; 3) электрических полей и др.

    В результате разделения зарядов в  облаках создаются большие объёмные заряды. В грозовом облаке может скопиться от 10 до 200 к. Разделение зарядов внутри облаков тесно связано с процессами осадкообразования.

    Недождящие  и дождящие облака, как правило, поляризованы положительно, то есть в их верхней части находится положительный заряд, а в нижней  - отрицательный. В нижней части смешанных облаков с большим вертикальным развитием (кучево-дождевые и слоисто- дождевые) появляется вторая положительно заряженная область. В нижней части ливневых и грозовых облаков, где имеют место сильно развитая турбулентность и вертикальные потоки большой скорости (до 30 м/сек.), образование такой положительной области связано с баллоэлектрическим эффектом. Здесь происходит разрушение крупных капель; мелкие, отрицательно заряженные капельки уносятся воздушными течениями в среднюю часть облака, а крупные положительно заряженные капли остаются внизу как более тяжёлые. 

    Грозовые  разряды и молнии. 

    Образование больших объёмных зарядов внутри облака и вследствие этого наведение  на земной поверхности под облаком  заряда противоположного знака приводит к созданию сильных электрических  полей как внутри облака, так и  между облаком и землёй. Напряжённость поля в облаке тем больше, чем больше эти заряды и чем меньше расстояние между ними.

    В грозовых облаках и в окружающем их пространстве напряжённость поля достигает нескольких тысяч В/м, а внутри активной части грозовых облаков в среднем 1-2∙10⁵ В/м. Увеличение напряжённости до такой величины приводит к возникновению электрических разрядов с капелек и снежинок, появлению проводящей области и распространению её вдоль линий поля. При определённых условиях развитие такой области приводит к появлению гигантской электрической искры между отдельными частями облака, либо между облаком и поверхностью земли (находящимися на ней предметами).

    Молнии, то есть электрические разряды в  облаках или между облаками и  землёй, могут возникать только в достаточно мощных облаках (не менее 4-5 км).

    Чаще  всего наблюдается линейная молния с её многочисленными разновидностями, представляющая собой гигантскую искру, иногда сильно разветвленную. Длина  линейной молнии обычно составляет 2-3 км, а иногда при разряде между облаками может достигать и 15-20 км. Линейная молния чаще всего состоит из нескольких разрядов (импульсов), следующих друг за другом через промежутки в несколько сотых долей секунды. Общая продолжительность молнии не превышает десятых долей секунды. Число разрядов чаще всего равно 1-5, однако иногда достигает 10-20. каждый разряд в свою очередь состоит из предварительного, относительно более слабого разряда – лидера, который обычно идёт от облака к земле, и обратного разряда – возвратного удара, распространяющегося в обратном направлении с большой скоростью и более сильного.

    Лидер – это начальный процесс развития молнии. Его роль состоит в том, что, продвигаясь от облака, он ионизирует воздух и тем самым постепенно пробивает путь к земной поверхности, где благодаря индукции накапливаются заряды, противоположные по знаку заряду нижней части облака. Как только лидер доходит до земли, отрицательный заряд, который он несёт, с колоссальной скоростью начинает уходить в землю. Этот процесс составляет главную фазу грозового разряда – возвратный удар, для которого характерно быстрое нарастание тока, большая его величина и интенсивное свечение. Возвратный удар, как правило, переносит на землю от облака отрицательный заряд. Разряжающееся за весь разряд молнии количество электричества невелико, в среднем 20-30 к, но принимая во внимание малую продолжительность молнии, получим большие значения силы тока: в среднем 20 000 а и больше.

    Линейные  молнии почти всегда сопровождаются громом. Возникновение грома объясняется тем, что при электрическом разряде в канале молнии происходит быстрое и очень сильное нагревание воздуха до нескольких тысяч градусов. Воздух мгновенно расширяется и происходит процесс, аналогичный взрыву, сопровождающийся звуковыми волнами – громом. Гром чаще слышен как продолжительные раскаты, а не как одиночный удар, так как возникает вдоль всего канала разряда молнии, и поэтому звук преодолевает расстояние от своего источника до наблюдателя в несколько этапов. Иногда грохотание грома слышится в течение нескольких секунд. Это доносятся звуки, отражённые от земли, облаков, гор, зданий и т. п., находящихся от нас на различном расстоянии.

    Исследования  показали, что грозовые разряды между  облаками или внутри одного и того же облака происходит чаще, чем между облаком и землёй. 

    Вывод.  

    Рассмотрев происходящие в атмосфере процессы, можно сделать следующий вывод. Природное явление гроза есть не что иное, как мощный электрический разряд, происходящий вследствие сильного увеличения напряжённости электрических полей грозовых облаков. 

                                         Список литературы

1. Гуральник И.И. и др. Метеорология. Гидрометеоиздат, Л., 1972;

2. Имянитов и др. Электричество облаков. Гидрометеоиздат, Л., 1971;

3. Городецкий О.А. и др. Метеорология, методы и технические средства

    наблюдений. Гидрометеоиздат, Л., 1984. 
 
 
 
 

Реферат подготовил Агапов В.Г.  _____________