Сучасна наука має в своєму розпорядженні щодовеликим запасом знань про атмосферу Землі і різноманітності відбуваються в ній процесів. Здавалося б, все це повинно бути добре досліджено і прискіпливо змодельоване в улюблених вченими лабораторіях. Однак на перевірку виявляється, що до теперішнього моменту немає чіткої, однозначної картини такого явища, як атмосферну електрику. Навпаки, є кілька моделей, кожна з яких має свої плюси і мінуси.
Людиною, який стояв біля витоків дослідження інауково підтвердив, власне, існування даного явища, є всесвітньо знаменитий ідеолог становлення Сполучених Штатів - Бенджамін Франклін. Дійсно, атмосферну електрику як фізичне явище знаходилося до нього в стадії гіпотетичних викладок. Один з батьків-засновників Америки першим показав його присутність в повітрі, а також пояснив причини виникнення блискавок. Найцікавіше в цій історії - той факт, що Франклін використовував для доказу паперового змія зі спеціальною загостреною дротом на ньому.
Собирая таким образом электричество, он получал іскровий розряд, розмикаючи ключ в найпростішою схемою заземлення. Нехитрий спосіб докази наявності в атмосфері заряджених частинок, проте, анітрохи 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.
Це сукупність різноманітних процесів,викликаються наявністю заряджених частинок в повітрі, що оточує Землю. Вчені досліджують такі явища, як електричне поле атмосфери, його напруженість, струми, що існують у 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 і т. Д.
Наша планета в дуже грубому наближенні євеличезною сферичною конденсатором. Це найпростіший прилад, здатний зберігати електричну енергію. Як обкладок гігантського конденсатора можна розглядати іоносферу і саму земну поверхню. При цьому ізолятором виступає повітря, який в звичайних умовах має дуже низьку електричну провідність. Поверхня Землі заряджена негативно, а іоносфера - позитивно.
Як і між обкладинками звичайного конденсатора,тут формується електричне поле, що володіє абсолютно унікальними характеристиками. Наприклад, його напруженість максимальна у земної поверхні, експоненціально зменшуючись зі збільшенням висоти. До слова, вже в 10 кілометрах над рівнем моря її значення в 30 разів нижче. Дане поле в основному і формує все різноманіття явищ, об'єднаних під загальною назвою «атмосферну електрику».
Це одна з найпоширеніших в сучасномунауковому світі моделей. Вона називається теорією Вільсона. Також є гіпотеза, висунута радянським вченим Френкелем, згідно з якою іоносфера не грає скільки-небудь істотної ролі в створенні електричного поля. Він вважав, що воно формується здебільшого за рахунок взаємодії земної поверхні і хмар, а також їх поляризації.
Але якщо повертатися до конденсаторної моделі,яка надає не тільки хорошу аналогію, але і теоретичні можливості для створення джерел практично дармовий енергії, то атмосферну електрику проявляється лише в декількох основних процесах. Розглянемо 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, які утворюються, наприклад, в ураганних і грозових областях. Їх сила досягає десятків тисяч ампер, і, незважаючи на це, різниця потенціалів між земною поверхнею і іоносферою не відчуває будь-яких значних змін, зберігаючи, природно, і напруженість поля. В електричному ланцюзі, що містить конденсатор, таке можливо тільки при наявності додаткового генератора.
За логікою, варто припустити наявність чогосьподібного і в разі 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 як раз атмосферну електрику. Безкоштовна енергія - це неймовірно потужний стимул розвитку наукової думки у всіх областях людської діяльності. Не оминула ця тенденція і фізику атмосферних явищ. Але про це - трохи пізніше.
Наступний цікавий і важливий процес,що відбувається в атмосфері, - це іскрові газові розряди, які супроводжують грози. Як і конвективні струми, це паразитное явище з точки зору конденсаторної моделі електричного поля, створюваного між поверхнею Землі і іоносферою. І цим, на жаль, далеко не обмежується негативний вплив розрядних явищ в атмосфері. Тут слід зазначити небезпека блискавок для наземних об'єктів антропогенної діяльності, включаючи руйнівний вплив ударних і теплових перевантажень, які супроводжують цей грізний феномен.
Очевидність електричної природи блискавок, таквитончено доведена Франкліном, формує один закономірне питання. Швидше за все, він хвилював ще сучасників батька-засновника. Отже, атмосферну електрику - це висока або низька напруга?
Згідно вже згаданої конденсаторної моделі,різниця потенціалів між обкладинками 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 в нижній частині атмосфери. Тому напруженість поля в земної поверхні набагато більше, ніж, наприклад, на висоті 10 км.
Очевидно, електричне поле такої інтенсивностіформує потужні розрядні струми, які недосвідчений спостерігач може бачити під час звичайної грози в середніх широтах. Тому напруга в каналі розряду високе.
Крім іскрового, в атмосфері спостерігається короннийрозряд, який, в силу історичної традиції, називається вогнями Святого Ельма. Виглядає це як кисті або світяться пучки 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 і т. Д.
Подібний розряд можна досить легко отримати вдомашніх умовах. Дійсно, атмосферну електрику своїми руками - справа зовсім нескладна. Наприклад, можна зняти з себе синтетичний светр і почати підносити до нього голку. З певної відстані на її кінчику з'явиться розряд, який можна добре спостерігати в повній темряві.
Ще одне грозове прояв - газовий розряд,зазвичай має сферичну форму. Йдеться про кульову блискавку, яка представляє собою унікальний і дуже рідкісний природний феномен. Вчені до цих пір не можуть зійтися в адекватному теоретичному обґрунтуванні існування цього явища. А аж до 2012 року взагалі не було документальних підтверджень реальності кульових блискавок. Як би там не було, це ще одна загадка земної атмосфери, над якою досі б'ються вчені.
Вище вже говорилося про вплив блискавок на різнівиди діяльності людини. Атмосферний електрику як екологічний фактор є дуже важливий момент, на якому також слід зупинитися. З точки зору освоєння людиною різноманітних ресурсів, що надаються йому планетою Земля, повітряне середовище дає йому можливість підтримувати існування як вид.
Наявність електричного поля в атмосфері маєбезліч неприємних наслідків для антропогенної діяльності. Деякі з них досить нешкідливі, але багато прояви змушують кращі інженерні уми придумувати ефективні способи упокорення грізних сил природи.
Атмосферний електрику і захист від нього -найважливіше питання, який слід обговорити в контексті екології. Природно, найнебезпечніші - найпотужніші іскрові розряди, на зразок блискавки. Причому це стосується не тільки наземної їх різновиди. Внутрішньохмарні блискавки представляють певну загрозу для цивільної та військової авіації. Так чи інакше, всі розрядні атмосферні явища підлягають пильній спостереженню і запобігання можливого збитку. Цим займаються спеціальні інженерні служби в тій же авіації, суднобудуванні або при блискавкозахисту будівель, енергетичних станцій і т. П.
Наостанок повернемося до питання практичнобезкоштовної енергії, яку може надати атмосферну електрику. 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 в зв'язку з фактом наявності потужного електричного поля поблизу земної поверхні.
Яскравим прикладом може служити схема з вертикальновстановленим заземленим провідником, між верхнім і нижнім кінцями якого з'являється різниця потенціалів через все того ж наявності поля. Цю енергію, створювану їм, можна витягати, 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, атмосферну електрику,незважаючи на наявні загрози нормальній антропогенної активності, також відкриває і чудові перспективи для забезпечення всього людства практично безкоштовною енергією.
