Elektryczność atmosferyczna - Atmospheric electricity

Błyskawica z chmury do ziemi . Zazwyczaj piorun wyładowuje 30 000 amperów o napięciu do 100 milionów woltów i emituje światło, fale radiowe, promieniowanie rentgenowskie, a nawet promieniowanie gamma . Temperatury plazmy w piorunach mogą zbliżyć się do 28 000 kelwinów .

Elektryczność atmosferyczna to badanie ładunków elektrycznych w atmosferze Ziemi (lub innej planety ). Ruch ładunku między powierzchnią Ziemi, atmosferą i jonosferą jest znany jako globalny obwód elektryczny atmosfery . Elektryczność atmosferyczna to interdyscyplinarny temat o długiej historii, obejmujący pojęcia z dziedziny elektrostatyki , fizyki atmosfery , meteorologii i nauki o Ziemi .

Burze działają jak gigantyczna bateria w atmosferze, ładując elektrosferę do około 400 000 woltów w stosunku do powierzchni. To tworzy pole elektryczne w atmosferze, które zmniejsza się wraz ze wzrostem wysokości . Jony atmosferyczne wytworzone przez promieniowanie kosmiczne i naturalną radioaktywność poruszają się w polu elektrycznym, przez co przez atmosferę przepływa bardzo mały prąd, nawet z dala od burz. W pobliżu powierzchni ziemi wielkość pola wynosi średnio około 100 V/m.

Elektryczność atmosferyczna obejmuje zarówno burze z piorunami , które tworzą błyskawice, które błyskawicznie rozładowują ogromne ilości ładunku atmosferycznego zgromadzonego w chmurach burzowych, jak i ciągłe elektryzowanie powietrza w wyniku jonizacji promieniami kosmicznymi i naturalną radioaktywnością , które zapewniają, że atmosfera nigdy nie jest całkowicie obojętna.

Historia

Iskry czerpane z maszyn elektrycznych i ze słojów lejdejskich sugerowały wczesnym eksperymentatorom, Hauksbee , Newton , Wall, Nollet i Gray , że piorun był spowodowany wyładowaniami elektrycznymi. W 1708 roku dr William Wall jako jeden z pierwszych zauważył, że wyładowania iskrowe przypominają miniaturowe błyskawice, po zaobserwowaniu iskier z naładowanego kawałka bursztynu .

Eksperymenty Benjamina Franklina wykazały, że zjawiska elektryczne w atmosferze nie różniły się zasadniczo od tych wytwarzanych w laboratorium , wymieniając wiele podobieństw między elektrycznością a błyskawicą. W 1749 Franklin zaobserwował, że piorun posiada prawie wszystkie właściwości obserwowane w maszynach elektrycznych.

W lipcu 1750 Franklin postawił hipotezę, że elektryczność może być pobierana z chmur przez wysoką metalową antenę z ostrym końcem. Zanim Franklin mógł przeprowadzić swój eksperyment, w 1752 Thomas-François Dalibard wzniósł 12-metrowy żelazny pręt w Marly-la-Ville pod Paryżem, czerpiąc iskry z przelatującej chmury. Z naziemnych - izolowane anten, eksperymentator może przynieść uziemiony przewód z izolowaną rączką wosk blisko antena i obserwować wyładowania iskra z anteny z przewodem uziemiającym. W maju 1752 Dalibard potwierdził, że teoria Franklina jest poprawna.

Około czerwca 1752 Franklin podobno przeprowadził swój słynny eksperyment z latawcem. Eksperyment z latawcem został powtórzony przez Romasa, który wydobył z metalowego sznurka iskry o długości 9 stóp (2,7 m) oraz Cavallo , który dokonał wielu ważnych obserwacji dotyczących elektryczności atmosferycznej. Lemonnier (1752) również odtworzył eksperyment Franklina z anteną, ale zastąpił przewód uziemiający kilkoma cząsteczkami kurzu (test przyciągania). Następnie udokumentował ładną pogodę , elektryfikację atmosfery w pogodne dni i jej dobową zmienność. Beccaria (1775) potwierdziła dobowe dane Lemonniera i ustaliła, że polaryzacja ładunku atmosfery była dodatnia przy dobrej pogodzie. Saussure (1779) zarejestrował dane dotyczące indukowanego przez przewodnika ładunku w atmosferze. Instrument Saussure'a (który zawierał dwie małe kule zawieszone równolegle na dwóch cienkich drucikach) był prekursorem elektrometru . Saussure odkrył, że elektryfikacja atmosfery przy bezchmurnej pogodzie miała roczne wahania, a także zmieniała się wraz z wysokością. W 1785 Coulomb odkrył przewodnictwo elektryczne powietrza. Jego odkrycie było sprzeczne z panującą wówczas myślą, że gazy atmosferyczne są izolatorami (którymi są do pewnego stopnia, a przynajmniej niezbyt dobrymi przewodnikami, gdy nie są zjonizowane ). Erman (1804) wysunął teorię, że Ziemia jest naładowana ujemnie, a Peltier (1842) przetestował i potwierdził pomysł Ermana.

Kilku badaczy przyczyniło się do poszerzania wiedzy na temat atmosferycznych zjawisk elektrycznych. Francis Ronalds zaczął obserwować potencjalny gradient i prądy powietrze-ziemia około 1810 roku, włączając w to ciągłe automatyczne rejestracje . Swoje badania wznowił w latach 40. XIX wieku jako inauguracyjny Honorowy Dyrektor Obserwatorium Kew , gdzie powstał pierwszy rozszerzony i wszechstronny zbiór danych dotyczących parametrów elektrycznych i związanych z nimi parametrów meteorologicznych. Dostarczył również swój sprzęt do innych obiektów na całym świecie w celu określenia elektryczności atmosferycznej w skali globalnej. Nowy kolektor z kroplomierzem Kelvina i elektrometr z dzielonym pierścieniem zostały wprowadzone w Obserwatorium Kew w latach 60. XIX wieku, a elektryczność atmosferyczna pozostała specjalnością obserwatorium aż do jego zamknięcia. Do pomiarów na dużych wysokościach kiedyś używano latawców , a balony pogodowe lub aerostaty są nadal używane do podnoszenia sprzętu eksperymentalnego w powietrze. Pierwsi eksperymentatorzy unosili się nawet balonami na ogrzane powietrze .

Hoffert (1888) zidentyfikował pojedyncze uderzenia pioruna w dół przy użyciu wczesnych kamer. Elster i Geitel , którzy również pracowali nad emisją termionową , zaproponowali teorię wyjaśniającą strukturę elektryczną burz (1885), a później odkryli radioaktywność atmosferyczną (1899) na podstawie istnienia jonów dodatnich i ujemnych w atmosferze. Pockels (1897) oszacował intensywność prądu piorunowego , analizując wyładowania atmosferyczne w bazalcie (ok. 1900) i badając pozostałe pola magnetyczne wywołane przez piorun. Odkrycia dotyczące elektryfikacji atmosfery za pomocą czułych instrumentów elektrycznych oraz pomysły dotyczące utrzymywania ujemnego ładunku Ziemi powstały głównie w XX wieku, przy czym CTR Wilson odgrywał ważną rolę. Obecne badania nad elektrycznością atmosferyczną skupiają się głównie na wyładowaniach atmosferycznych, w szczególności na cząstkach wysokoenergetycznych i przejściowych zdarzeniach świetlnych, oraz na roli procesów elektrycznych niebędących burzami w pogodzie i klimacie.

Opis

Elektryczność atmosferyczna jest zawsze obecna, a przy dobrej pogodzie z dala od burz powietrze nad powierzchnią Ziemi jest naładowane dodatnio, podczas gdy ładunek powierzchniowy Ziemi jest ujemny. Można to rozumieć w kategoriach różnicy potencjałów między punktem na powierzchni Ziemi a punktem gdzieś w powietrzu nad nim. Ponieważ pole elektryczne atmosferyczne jest skierowane ujemnie przy dobrej pogodzie, konwencją jest odniesienie się do gradientu potencjału, który ma przeciwny znak i wynosi około 100 V/m na powierzchni, z dala od burz. Jest słaby prąd przewodzenia jonów atmosferycznych poruszających się w atmosferycznym polu elektrycznym, około 2 pikoAmperów na metr kwadratowy, a powietrze jest słabo przewodzące z powodu obecności tych jonów atmosferycznych.

Wariacje

Globalne cykle dobowe w atmosferycznym polu elektrycznym, z minimum około 03 UT i osiągającym maksimum około 16 godzin później, zostały zbadane przez Carnegie Institution of Washington w XX wieku. Ta zmienność krzywej Carnegie została opisana jako „podstawowe elektryczne bicie serca planety”.

Nawet z dala od burz, elektryczność atmosferyczna może być bardzo zmienna, ale ogólnie pole elektryczne jest wzmocnione w mgłach i kurzu, podczas gdy przewodność elektryczna atmosfery jest zmniejszona.

Powiązania z biologią

Gradient potencjału atmosferycznego prowadzi do przepływu jonów z dodatnio naładowanej atmosfery do ujemnie naładowanej powierzchni ziemi. Na płaskim terenie w dzień bezchmurnego nieba gradient potencjału atmosferycznego wynosi około 120 V/m. Przedmioty wystające z tych pól, np. kwiaty i drzewa, mogą zwiększyć natężenie pola elektrycznego do kilku kilowoltów na metr. Te przypowierzchniowe siły elektrostatyczne są wykrywane przez organizmy, takie jak trzmiel, który nawiguje do kwiatów i pająk, który inicjuje rozprzestrzenianie się poprzez balonowanie. Uważa się również, że gradient potencjału atmosferycznego wpływa na podpowierzchniowe procesy elektrochemiczne i mikrobiologiczne.

W pobliżu kosmosu

Warstwa elektrosfery (od kilkudziesięciu kilometrów nad powierzchnią ziemi do jonosfery) ma wysoką przewodność elektryczną i zasadniczo ma stały potencjał elektryczny. Jonosfery jest wewnętrzną krawędź magnetosfery i część atmosfery, który jest zjonizowany promieniowaniem słonecznym. ( Fotojonizacja to proces fizyczny, w którym foton pada na atom, jon lub cząsteczkę, powodując wyrzucenie jednego lub więcej elektronów.)

Promieniowanie kosmiczne

Ziemia i prawie wszystkie żyjące na niej istoty są nieustannie bombardowane promieniowaniem z kosmosu. Promieniowanie to składa się głównie z dodatnio naładowanych jonów od protonów do żelaza i większych źródeł pochodzących z jąder poza Układem Słonecznym . Promieniowanie to oddziałuje z atomami w atmosferze, tworząc deszcz wtórnego promieniowania jonizującego, w tym promieni rentgenowskich , mionów , protonów , cząstek alfa , pionów i elektronów . Jonizacja z tego wtórnego promieniowania zapewnia, że ​​atmosfera jest słabo przewodząca, a niewielki przepływ prądu z tych jonów po powierzchni Ziemi równoważy przepływ prądu z burzy. Jony mają charakterystyczne parametry, takie jak mobilność , żywotność i szybkość generowania, które zmieniają się wraz z wysokością .

Burze i błyskawice

Różnica potencjałów między jonosferą a Ziemią jest utrzymywana przez burze z piorunami, które dostarczają ujemne ładunki z atmosfery na ziemię.

Mapa świata przedstawiająca częstotliwość uderzeń piorunów w błyskach na km² rocznie (projekcja równopowierzchniowa). Piorun uderza najczęściej w Demokratycznej Republice Konga . Połączone dane z lat 1995-2003 z optycznego detektora stanów nieustalonych i dane z lat 1998-2003 z czujnika obrazowania wyładowań atmosferycznych.

Zderzenia między lodem a miękkim gradem (graupel) wewnątrz chmur cumulonimbus powodują rozdzielenie ładunków dodatnich i ujemnych w chmurze, niezbędnych do generowania wyładowań atmosferycznych. Sposób, w jaki błyskawice powstają, jest nadal przedmiotem debaty: naukowcy zbadali przyczyny, od perturbacji atmosferycznych (wiatr, wilgotność i ciśnienie atmosferyczne ) po wpływ wiatru słonecznego i cząstek energetycznych.

Przeciętny piorun przenosi ujemny prąd elektryczny o wartości 40 kiloamperów (kA) (chociaż niektóre śruby mogą mieć do 120 kA) i przenosi ładunek pięciu kulombów i energię 500 MJ , czyli wystarczającą do zasilenia 100-watowego żarówka na niecałe dwa miesiące. Napięcie zależy od długości śruby, przy czym przebicie dielektryczne powietrza wynosi trzy miliony woltów na metr, a błyskawice mają często kilkaset metrów długości. Jednak opracowanie lidera pioruna nie jest prostą sprawą przebicia dielektryka, a pola elektryczne otoczenia wymagane do propagacji lidera pioruna mogą być o kilka rzędów wielkości mniejsze niż wytrzymałość dielektryczna na przebicie. Co więcej, gradient potencjału wewnątrz dobrze rozwiniętego kanału powrotnego jest rzędu setek woltów na metr lub mniej z powodu intensywnej jonizacji kanału, co skutkuje prawdziwą mocą wyjściową rzędu megawatów na metr dla energicznego powrotu. prąd skoku 100 kA .

Jeśli znana jest ilość wody, która skrapla się, a następnie wytrąca z chmury, można obliczyć całkowitą energię burzy. Podczas przeciętnej burzy uwolniona energia wynosi około 10 000 000 kilowatogodzin (3,6 × 10 ¹³ dżuli ), co odpowiada 20-kilotonowej głowicy jądrowej . Duża, silna burza z piorunami może być od 10 do 100 razy bardziej energetyczna.

Sekwencja błyskawic (Czas trwania: 0,32 sekundy)

Wyładowania koronowe

Przedstawienie elektryczności atmosferycznej podczas burzy piaskowej na Marsie, co zostało zasugerowane jako możliwe wyjaśnienie zagadkowych wyników chemicznych z Marsa (patrz także eksperymenty biologiczne z lądownikami Viking )

Ogień św. Elma to zjawisko elektryczne, w którym świetlista plazma powstaje w wyniku wyładowania koronowego pochodzącego od uziemionego obiektu . Piorun kulisty jest często błędnie identyfikowany jako Ogień Świętego Elma, podczas gdy są to odrębne i odrębne zjawiska. Chociaż określany jako „ogień”, Ogień Świętego Elma jest w rzeczywistości plazmą i jest obserwowany, zwykle podczas burzy , na wierzchołkach drzew, iglic lub innych wysokich obiektów lub na głowach zwierząt, jako pędzel lub gwiazda światła.

Korona jest powodowana przez pole elektryczne wokół badanego obiektu, jonizujące cząsteczki powietrza, wytwarzając słabą poświatę, łatwo dostrzegalną w warunkach słabego oświetlenia. Do wywołania Ognia Św. Elma potrzeba około 1 000 – 30 000 woltów na centymetr; jednak zależy to od geometrii danego obiektu. Ostre punkty zwykle wymagają niższych poziomów napięcia, aby uzyskać ten sam wynik, ponieważ pola elektryczne są bardziej skoncentrowane w obszarach o dużej krzywiźnie, a zatem wyładowania są bardziej intensywne na końcach ostrych przedmiotów. Ogień Świętego Elma i normalne iskry mogą pojawić się, gdy wysokie napięcie elektryczne wpływa na gaz. Ogień św. Elma jest widoczny podczas burzy, gdy ziemia pod burzą jest naładowana elektrycznie, aw powietrzu między chmurą a ziemią występuje wysokie napięcie. Napięcie rozrywa cząsteczki powietrza i gaz zaczyna świecić. Azot i tlen w atmosferze ziemskiej powodują, że Ogień Świętego Elma fluoryzuje światłem niebieskim lub fioletowym; jest to podobne do mechanizmu, który powoduje świecenie neonów.

Wnęka Ziemia-Jonosfera

Te rezonansowe Schumann to zbiór pików widmowych w ekstremalnie niskich częstotliwości (ELF) części widma elektromagnetycznego pola ziemskiego. Rezonans Schumanna jest spowodowany przestrzenią między powierzchnią Ziemi a przewodzącą jonosferą działającą jako falowód . Ograniczone wymiary ziemi powodują, że falowód ten działa jak wnęka rezonansowa dla fal elektromagnetycznych. Wnęka jest naturalnie wzbudzana energią uderzeń piorunów.

Uziemienie instalacji elektrycznej

Ładunki atmosferyczne mogą powodować niepożądane, niebezpieczne i potencjalnie śmiertelne nagromadzenie się ładunku w podwieszonych systemach dystrybucji energii z przewodami elektrycznymi. Nieizolowane przewody zawieszone w powietrzu na przestrzeni wielu kilometrów i odizolowane od ziemi mogą gromadzić bardzo duże zmagazynowane ładunki o wysokim napięciu, nawet gdy nie ma burzy ani wyładowań atmosferycznych. Ładunek ten będzie dążył do rozładowania się ścieżką o najmniejszej izolacji, co może wystąpić, gdy osoba wyciągnie rękę, aby aktywować przełącznik zasilania lub użyć urządzenia elektrycznego.

Aby rozproszyć nagromadzony ładunek atmosferyczny, jedna strona systemu dystrybucji energii elektrycznej jest połączona z ziemią w wielu punktach systemu dystrybucji, tak często, jak na każdym słupie nośnym . Jeden przewód podłączony do uziemienia jest powszechnie określany jako „uziemienie ochronne” i zapewnia ścieżkę dla potencjału ładunku do rozproszenia bez powodowania uszkodzeń oraz zapewnia nadmiarowość w przypadku, gdy którakolwiek z ścieżek uziemienia jest słaba z powodu korozji lub słabej przewodności uziemienia . Dodatkowy elektryczny przewód uziemiający, który nie jest zasilany, pełni drugorzędną rolę, zapewniając wysokoprądową ścieżkę zwarciową, która szybko przepala bezpieczniki i zapewnia bezpieczeństwo uszkodzonego urządzenia, zamiast powodować, że nieuziemione urządzenie z uszkodzoną izolacją staje się „pod napięciem elektrycznym” przez zasilanie sieciowe i niebezpieczne w dotyku.

Każdy transformator w sieci dystrybucji prądu przemiennego dzieli system uziemienia na nową oddzielną pętlę obwodu. Te oddzielne sieci muszą być również uziemione z jednej strony, aby zapobiec gromadzeniu się w nich ładunku w stosunku do reszty systemu, co mogłoby spowodować uszkodzenie przez potencjały ładunku rozładowujące się na cewkach transformatora do drugiej uziemionej strony sieci dystrybucyjnej.

Zobacz też

Referencje i artykuły zewnętrzne

Cytaty i uwagi

Inne czytanie

Strony internetowe

Dalsza lektura

• James R. Wait , Niektóre podstawowe elektromagnetyczne aspekty zmian pola ULF w atmosferze . Journal Pure and Applied Geophysics, tom 114, numer 1 / styczeń 1976 Strony 15–28 Birkhäuser Basel ISSN 0033-4553 (druk) 1420-9136 (online) DOI 10.1007/BF00875488
• National Research Council (USA) i American Geophysical Union. (1986). Środowisko elektryczne Ziemi . Waszyngton, DC: National Academy Pres
• Dynamika Słońca i jej wpływ na heliosferę i Ziemię DN Baker, International Space Science Institute
• Zmienność Słońca, pogoda i klimat Według National Research Council (USA). Komitet Studiów Geofizyki
• Chree, Karol (1911). „Elektryczność atmosferyczna”  . W Chisholm, Hugh (red.). Encyklopedia Britannica . 2 (wyd. 11). Wydawnictwo Uniwersytetu Cambridge. s. 860-870. Daje to szczegółowe podsumowanie zjawisk rozumianych na początku XX wieku.

Linki zewnętrzne

• Prąd elektryczny przez atmosferę
• Global Circuit , phys.uh.edu
• Nasączanie elektryczności atmosferycznej Pomiary „dobrej pogody” ważne dla zrozumienia burz. nauka.nasa.gov
• Atmosferyczna strona główna energii elektrycznej , uah.edu
• Tjt, Elektryczność atmosferyczna przy dobrej pogodzie . ava.fmi.fi
• Międzynarodowa Komisja Atmospheric Electricity (ICAE) Strona główna