Współczesna nauka posiada stosunkowo duży zasób wiedzy o ziemskiej atmosferze i różnorodności procesów w niej zachodzących. Wydawałoby się, że wszystko to powinno być dobrze przebadane i skrupulatnie modelowane w laboratoriach sprzyjających naukowcom. Okazuje się jednak, że do tej pory nie ma jasnego, jednoznacznego obrazu takiego zjawiska, jak elektryczność atmosferyczna. Wręcz przeciwnie, istnieje kilka modeli, z których każdy ma swoje wady i zalety.
Trochę historii
Osobą, która stała u początków badania i naukowo potwierdziła w istocie istnienie tego zjawiska, jest światowej sławy ideolog formacji Stanów Zjednoczonych – Benjamin Franklin. Rzeczywiście, elektryczność atmosferyczna jako zjawisko fizyczne znajdowała się przed nim na etapie hipotetycznych obliczeń. Jeden z Ojców Założycieli Ameryki jako pierwszy pokazał swoją obecność w powietrzu, a także wyjaśnił powodywystąpienie pioruna. Najbardziej interesującą rzeczą w tej historii jest fakt, że Franklin użył latawca ze specjalnym spiczastym drutem, aby to udowodnić.
Zbierając w ten sposób energię elektryczną, otrzymał wyładowanie iskrowe, otwierając klucz w najprostszym obwodzie uziemiającym. Prosty sposób na udowodnienie obecności naładowanych cząstek w atmosferze w żaden sposób nie umniejsza jednak zasług tego wielkiego polityka, a także naukowca, w odkryciu rozważanego tutaj zjawiska naturalnego. Następnie fizycy na całym świecie zaczęli potwierdzać swoje wyniki własnymi eksperymentami tego rodzaju.
Co to jest elektryczność atmosferyczna?
Jest to połączenie różnych procesów spowodowanych obecnością naładowanych cząstek w powietrzu otaczającym Ziemię. Naukowcy badają takie zjawiska, jak pole elektryczne atmosfery, jego natężenie, prądy z tym związane, ładunki kosmiczne i wiele innych punktów. Na przykład czynniki meteorologiczne, środowiskowe, wpływ na różne gałęzie działalności antropologicznej człowieka: lotnictwo, przemysł, rolnictwo itp.
Wygodna analogia fizyczna
Nasza planeta w bardzo przybliżonym przybliżeniu to ogromny kondensator sferyczny. To najprostsze urządzenie, które może magazynować energię elektryczną. Jonosferę i samą powierzchnię Ziemi można uznać za płyty gigantycznego kondensatora. W tym przypadku izolatorem jest powietrze, które w normalnych warunkach mabardzo niska przewodność elektryczna. Powierzchnia Ziemi jest naładowana ujemnie, podczas gdy jonosfera jest naładowana dodatnio.
Podobnie jak pomiędzy płytkami konwencjonalnego kondensatora, powstaje tutaj pole elektryczne, które ma zupełnie unikalne właściwości. Na przykład jego intensywność jest maksymalna w pobliżu powierzchni ziemi, malejąc wykładniczo wraz ze wzrostem wysokości. Nawiasem mówiąc, już na 10 km n.p.m. jego wartość jest 30 razy niższa. Pole to w zasadzie formuje całą gamę zjawisk, zjednoczonych pod ogólną nazwą "elektryczność atmosferyczna".
Jest to jeden z najczęstszych modeli we współczesnym świecie naukowym. Nazywa się to teorią Wilsona. Istnieje również hipoteza sowieckiego naukowca Frenkla, zgodnie z którą jonosfera nie odgrywa znaczącej roli w tworzeniu pola elektrycznego. Uważał, że powstaje głównie w wyniku interakcji powierzchni ziemi i chmur, a także ich polaryzacji.
Generator naturalny
Ale jeśli wrócimy do modelu kondensatora, który dostarcza nie tylko dobrej analogii, ale także teoretycznych możliwości tworzenia źródeł praktycznie darmowej energii, to elektryczność atmosferyczna przejawia się zaledwie w kilku podstawowych procesach. Rozważ najważniejsze.
Przede wszystkim są to tak zwane prądy upływowe. Jeśli chodzi o kondensator konwencjonalny, są to zjawiska pasożytnicze, które zmniejszają jego skuteczność w przechowywaniu ładunku. W przypadku atmosfery są to prądy konwekcyjne powstające np. wobszary huraganów i burz. Ich siła sięga dziesiątek tysięcy amperów, a mimo to potencjalna różnica między powierzchnią ziemi a jonosferą nie ulega znaczącym zmianom, oczywiście przy zachowaniu natężenia pola. W obwodzie elektrycznym zawierającym kondensator jest to możliwe tylko z dodatkowym generatorem.
Podążając za logiką, warto założyć obecność czegoś podobnego w przypadku atmosfery ziemskiej. Rzeczywiście, istnieje takie źródło energii. To pole magnetyczne naszej planety, które obracając się z nim w strumieniu promieniowania słonecznego, tworzy potężny generator. Nawiasem mówiąc, pojawia się pomysł, aby wykorzystać jego energię, używając tylko elektryczności atmosferycznej. Darmowa energia jest niezwykle silnym bodźcem do rozwoju myśli naukowej we wszystkich dziedzinach ludzkiej działalności. Ten trend nie ominął fizyki zjawisk atmosferycznych. Ale o tym później.
Burze
Następnym interesującym i ważnym procesem w atmosferze są wyładowania gazu iskrowego, które towarzyszą burzom. Podobnie jak prądy konwekcyjne, jest to zjawisko pasożytnicze z punktu widzenia kondensatorowego modelu pola elektrycznego wytworzonego między powierzchnią Ziemi a jonosferą. I to niestety nie ogranicza się do negatywnego wpływu zjawisk wyładowań w atmosferze. W tym miejscu należy zwrócić uwagę na niebezpieczeństwo wyładowania atmosferycznego dla obiektów naziemnych o działalności antropogenicznej, w tym destrukcyjne oddziaływanie wstrząsów i przeciążeń termicznych, które towarzyszą temu groźnemu zjawisku.
Zamki
Dowody na elektryczną naturę pioruna, tak elegancko udowodnioneFranklin, formułuje jedno logiczne pytanie. Najprawdopodobniej martwił się nawet współczesnych ojca założyciela. Czy zatem energia elektryczna w atmosferze jest wysokiego czy niskiego napięcia?
Zgodnie ze wspomnianym już modelem kondensatora, różnica potencjałów między płytkami w skali planetarnej powinna tworzyć pole elektryczne. Rzeczywiście, ujemnie naładowana powierzchnia Ziemi z jednej strony i dodatnio naładowana jonosfera tworzą pole o dużym natężeniu. Zjawiska elektryczne w chmurach wytwarzają ogromne ładunki kosmiczne w dolnej części atmosfery. Dlatego natężenie pola na powierzchni ziemi jest znacznie większe niż na przykład na wysokości 10 km.
Oczywiście, pole elektryczne o takim natężeniu generuje potężne prądy wyładowania, które niedoświadczony obserwator może zobaczyć podczas zwykłej burzy na średnich szerokościach geograficznych. Dlatego napięcie w kanale wyładowczym jest wysokie.
Światła Świętego Elma
Oprócz iskry w atmosferze występuje wyładowanie koronowe, które ze względu na tradycję historyczną nazywa się pożarami św. Elma. Wygląda jak szczotki lub promienie świetlne na końcach wysokich obiektów, takich jak maszty statków, wieże itp. Co więcej, zjawisko to można zaobserwować tylko w ciemności. Powodem pojawienia się świateł św. Elma jest wzrost natężenia pola elektrycznego otoczenia, na przykład podczas zbliżania się lub podczas burzy, burzy, śnieżycy itp.
Takie wyładowanie może byćdość łatwo dostać się do domu. Rzeczywiście, elektryczność atmosferyczna zrób to sam to bardzo prosta sprawa. Na przykład możesz zdjąć syntetyczny sweter i zacząć wnosić do niego igłę. Z pewnej odległości na jej końcu pojawi się wyładowanie, które można wyraźnie zaobserwować w całkowitej ciemności.
Ognista kula
Kolejną manifestacją burzy jest wyładowanie gazu, zwykle o kulistym kształcie. Mówimy o piorunach kulistych, które są wyjątkowym i bardzo rzadkim zjawiskiem naturalnym. Naukowcy wciąż nie mogą dojść do porozumienia co do odpowiedniego teoretycznego uzasadnienia istnienia tego zjawiska. A do 2012 roku nie było żadnych dokumentów potwierdzających istnienie błyskawicy kulowej. Tak czy inaczej, jest to kolejna tajemnica atmosfery ziemskiej, z którą naukowcy wciąż się zmagają.
Czynnik środowiskowy
Już powyżej powiedziano o wpływie pioruna na różne rodzaje działalności człowieka. Elektryczność atmosferyczna jako czynnik środowiskowy to bardzo ważny punkt, który również należy omówić. Z punktu widzenia rozwoju człowieka różnych zasobów dostarczanych mu przez planetę Ziemię, środowisko powietrzne daje mu możliwość podtrzymywania egzystencji jako gatunku.
Obecność pola elektrycznego w atmosferze ma wiele nieprzyjemnych konsekwencji dla działalności człowieka. Niektóre z nich są całkiem nieszkodliwe, ale wiele przejawów zmusza najlepsze umysły inżynierskie do wymyślenia skutecznych sposobów na uspokojenie potężnych sił.natura.
Bezpieczeństwo życia
Elektryczność atmosferyczna i ochrona przed nią to najważniejsza kwestia, którą należy poruszyć w kontekście ekologii. Oczywiście najniebezpieczniejsze są najpotężniejsze wyładowania iskrowe, takie jak piorun. I dotyczy to nie tylko ich odmian lądowych. Wyładowania chmurowe stanowią pewne zagrożenie dla lotnictwa cywilnego i wojskowego. Tak czy inaczej, wszystkie zjawiska atmosferyczne wyładowań podlegają ścisłej obserwacji i zapobieganiu możliwym uszkodzeniom. Odbywa się to przez specjalne służby inżynieryjne w tym samym lotnictwie, przemyśle stoczniowym lub ochronie odgromowej budynków, elektrowni itp.
Darmowa energia
Na koniec powróćmy do kwestii praktycznie darmowej energii, jaką może dostarczyć energia elektryczna z atmosfery. Tesla, słynny mistrz błyskawicy, przeprowadził ogromną ilość badań, aby zastosować to naturalne zjawisko w praktyce. Jego praca nie poszła na marne. Współcześni inżynierowie opatentowują różne metody wytwarzania energii ze względu na to, że w pobliżu powierzchni ziemi występuje silne pole elektryczne.
Uderzającym przykładem jest obwód z pionowo zainstalowanym przewodem uziemionym, pomiędzy górnym i dolnym końcem, w którym występuje różnica potencjałów z powodu tej samej obecności pola. Wytworzoną przez niego energię można wydobyć, tworząc kontrolowane wyładowanie koronowe na górnym końcu przewodnika. Dzięki temu w przewodzie może być utrzymany prąd, co oznacza, że można bezpiecznie podłączyć do niego odbiornik.
Tak więc elektryczność atmosferyczna, pomimo istniejących zagrożeń dla normalnej działalności antropogenicznej, otwiera również wspaniałe perspektywy na zapewnienie całej ludzkości praktycznie darmowej energii.
