14. Концепция грозовых разрядов в земной атмосфере.

14. Концепция грозовых разрядов в земной атмосфере.

***

Аннотация.

       В предлагаемой теории грозовых разрядов показано, явление грозовых разрядов в земной атмосфере является следствием облучения этой атмосферы космическими лучами частиц высоких энергий.

***

       Что такое электрический разряд известно уже сотни лет. То, что молния является разновидностью электрического разряда также известно уже давним давно. Для того чтобы произошел электрический разряд предварительно каким то образом должны образоваться локальные разнесенные в пространстве соответствующие электрические заряды. Между такими зарядами возникает электрическая разница потенциалов, т.е. напряжение, которое проявляет себя через наличие соответствующего электрического поля. Причем, электрические заряды не обязательно должны быть разных знаков. Разность потенциалов возникает, даже если электрические заряды одного знака, но они должны быть разной величины.

   Электрическое поле, приведенное к расстоянию между электрическими зарядами, называется напряженностью электрического поля. Если напряженность превышает пороговое значение электрической прочности того вещества, в котором действует напряженность, то возникают электрические пробои вещества в виде электрической искры (молнии).

     Веществом земной атмосферы является воздух. Превышение пороговой электрической прочности атмосферного воздуха и приводит к его электрическому пробою в виде молнии. Возникает вопрос причин, порождающих атмосферные грозовые разряды, т.е. механизм  образования разделенных в пространстве электрических зарядов.

     В современной научной литературе предлагается следующее объяснение механизму действия этого процесса. В облаках нижние слои представлены капельками воды, а верхние слои кристалликами льда. Капельки воды и кристаллики люда меняются местами, трутся друг о друга, при этом обмениваются между собой электрическими зарядами и затем разносят их в пространстве.

      Видимо, такое объяснение выдвинуто по аналогии с электрическим зарядом, который приобретают палочки из различного диэлектрического материала, если их тереть тканью, сделанной из другого материала. Здесь не учитывается следующее. При натирании палочек тканью, они приобретают противоположные по знаку электрические заряды, которые притягиваются друг к другу. Таким образом, чтобы после натирания палочки образовались разнесённые в пространстве электрические заряды необходимо оторвать ткань от палочки. Для этого надо приложить соответствующую силу. Причем, чем электрические заряды ближе друг к другу, тем эта сила больше. Соответствующую силу прикладывает экспериментатор.

      Отсюда вопрос, какая сила отдирает электрически заряженные капельки воды от кристалликов льда. Если допустить, что частики все-таки обмениваются своими электрическими зарядами при непосредственном контакте? Более того, согласно этой идее, капельки воды, несущие на себе заряды одного  знака, остаются в облаке, а кристаллики льда, обрастая капельками воды, падают на Землю и таким образом заряжают ее электрическим зарядом противоположного знака. Только после этого возникают грозовые разряды. Полная несостоятельность этой идеи заключается в том, что напряженность электрического поля достигает максимальной величины уже на первом этапе разделения электрических зарядов, а в дальнейшем при приближении электрического заряда к поверхности Земли  она будет только уменьшаться. Таким образом, грозовой разряд должен закончиться еще, не начавшись, не говоря уже о том, что происходит обрастание капельками воды кристалликов льда, и их электрический заряд будет просто нейтрализован.

    Дело даже не в этом. Достоверно известно, что напряженность электрического поля на Земной поверхности в среднем равна 140 в/м. Направление этой напряженности указывает на то, что Земля обладает отрицательным электрическим зарядом. Этот факт приведенной идеей,  не объясняет в принципе, а именно, наличием электрического заряда у Земли. Вообще, наличие электрического заряда у Земли является удивительным фактом. Это сродни физическому чуду и вот почему. Над Земной поверхностью постоянно происходят грозовые разряды между облаками и земной поверхностью, которые почему-то не разряжают электрический заряд Земли.

     Возникает вопрос, если капельно-кристаллическая идея грозовых разрядов несостоятельна, то каким же образом можно объяснить протекание тех электрических процессов, происходящих в земной атмосфере?

     По изучению грозовых разрядов проведено огромное количество наблюдений и экспериментов. Такие работы бесполезны, если они не способны создать основу для теоретического осмысления полученных на практике результатов. По аналогии с термодинамикой введем понятие электрической энтропии. Однознаковые электрические заряды стремятся распределиться в пространстве с одинаковой удельной плотностью электрического заряда в максимальном объёме, а разно знаковые -  нейтрализовать друг друга. Состояние полного хауса для электрической энтропии соответствует состоянию материи при полном отсутствии разделенных в пространстве электрических зарядов. Иными словами, электрические заряды всегда стремятся минимизировать удельную плотность электрического заряда, что соответствует росту энтропии материи по ее электрическому заряду, которая достигает максимально величины при отсутствии электрических зарядов в том объёме пространства, которое занимает материя.

    Переведем сказанное на язык электрических понятий. В целом материя вселенной является электрически нейтральной. Отсюда следует, электрический потенциал материи в целом равен нулю. Другими словами, у материи вселенной совокупное электрическое поле равно нулю. Это означает, что во вселенной и усреднённая напряжённость электрического поля также равна нулю. Таким образом, электрическая энтропия вселенной равна максимальной величине. Действительно ли реальная вселенная соответствует приведенным условиям?

    Стремление материи к состоянию максимальной величины электрической энтропии приводит к необходимости действия закона сохранения электрического заряда, а именно, если в каком-то объёме пространства возник электрический заряд, то в другом объёме обязательно должен возникнуть электрический заряд противоположного знака. Он по абсолютной величине точно равен первому заряду. В этом случае суммарная электрическая энтропия вселенной окажется уменьшенной. Иными словами, электрическая энтропия вселенной является аддитивной (суммарной) величиной всех объёмов пространства, занимаемой  материи вселенной.

    Состояние вселенной с минимальной величиной электрической энтропии, это если все ее электрически заряженные частицы будут разделены на два объёма пространства. В одном объёме будут собраны частицы с положительным электрическим зарядом, во втором - с отрицательным. Для такой вселенной величина электрической силы притяжения является просто чудовищной. Именно, из-за колоссальной величины электрической силы притяжения такой вселенной в мировом пространстве нет. Но существует та локальная вселенная, в которой обитает человечество и, в которой электрически заряженное вещество, хотя полностью и не разделено, но в локальном плане существуют объёмы пространства, где преобладают электрические заряды одного знака, либо второго. В сумме эти заряды всегда равны нулю. Таким образом, в нашей вселенной реальная электрическая энтропия меньше максимальной величины, т.е. меньше состояния полного электрического хаоса.

    Существование вещества с разделенными электрическими зарядами происходит, но только у конкретных объектов, представленных вещественной материей.

    Вакуумная космическая материя находиться в состоянии максимальной электрической энтропии. Это ее характерная особенность. Примем, что у космического пространства электрическая энтропия равна максимальной величине, т.е. ее электрический потенциал и в глобальном и в локальном масштабе равен нулю. Поскольку электрический потенциал равен нулю, примем его за точку отсчета электрического потенциала в глобальном масштабе. Это означает, что электрический потенциал всех космических объектов необходимо определять относительно электрического потенциала нулевого уровня космического пространства. Аналогом здесь является нулевая точка температур, относительно которой определяется температурное состояние других физических объектов.

       Если у космического пространства электрическая энтропия максимальна, этого нельзя сказать о Земле, которая обладает отрицательным электрическим зарядом. Поскольку электрический заряд космического пространства равен нулю, то на первый взгляд отрицательному электрическому заряду Земли просто не откуда взяться. Например, электрический заряд Луны, у которой нет атмосферы, равен нулю. Это как раз и объясняется тем, что космическое пространство обладает нулевым электрическим потенциалом и таким образом избыточному положительному или отрицательному  электрическому заряду Луны просто не откуда взяться. Казалось бы это не так. Ведь Луна обдувается солнечным ветром, который представлен:

- 96% протоны,

- около 4% альфа-частицы,

- небольшим количеством ядер более тяжелых химических элементов.

     Таким образом, Луна должна приобретать положительный электрический потенциал, но это не так и вот почему. Для упрощения расчетов примем, солнечный ветер представлен исключительно протонами. За секунду Солнце теряет массу равную    кг.

     Это соответствует следующему количеству протонов:

        (1)

    Этому количеству протонов соответствует следующий положительный электрический заряд:

        (2)

     Через секунду Солнце приобретёт  отрицательный электрический заряд равный . На протон будет действовать следующая сила притяжения со страны электрического заряда Солнца (закон Кулона):

        (3)

Где: k – величина обратная электрической константе.

        (4)

    Это соответствует торможению по отрицательному ускорению протонов равному следующей величине:

           (5)

         (6)

    То есть, если бы только одни протоны покидали солнечную поверхность, то уже за ничтожные доли секунды ни один протон не смог бы покинуть солнечную поверхность. Только совместные испарения с поверхности Солнца протонов и электронов обеспечивают существование в космическом пространстве электрически нейтрального солнечного ветра. Таким образом, космическое пространство и в локальном масштабе сохраняет свою электрическую нейтральность.

    Следовательно, электрически нейтральное космическое пространство не способно зарядить любой космический объект в целом ни положительным, ни отрицательным электрическим зарядом. Это правило справедливо и для Луны и для Земли и для любого другого самостоятельного космического объекта. Но Земля в отличие от Луны все-таки обладает отрицательным электрическим зарядом. В чем тут дело?

    У Луны нет атмосферы, а у Земли есть. Несложно предположить, что все дело в земной атмосфере. Если рассматривать систему Земля - атмосфера в целом, то ее электрическая энтропия максимальна. Ее электрический заряд относительно космического пространства равен нулю. Исходя из этого, в целом эта система занимает состояние максимальной электрической энтропии. Внутри этой системы, поскольку Земля обладает электрическим зарядом, ее электрическая энтропия меньше максимальной величины. Поскольку в целом система Земля - атмосфера электрически нейтральна, а Земля заряжена отрицательно, то такая структура может существовать только в том случае, если вокруг Земли в атмосфере есть слои воздуха, несущие на себе положительный электрический заряд, который экранирует отрицательный заряд Земли и в целом получается электрически нейтральная система Земля - атмосфера. В электротехнике это соответствует двухслойному сферическому конденсатору с диэлектриком в виде атмосферного воздуха.

     Конденсатор – это электрическое устройство, представленное двумя проводниками разделенными диэлектриком. Проводники называются пластинами конденсатора. Конденсатор на своих пластинах способен накапливать электрический заряд, который на них удерживается тем электрическим полем, который возникает между пластинами конденсатора. Наличие электрических зарядов на пластинах конденсатора создаёт между ними советующий электрический потенциал, который называется напряжением. Электрический потенциал – это энергетическая характеристика электрического поля.

      Толщина электрического конденсатора Земли (высота от земной поверхности)  много меньше радиуса Земли, т.к. толщина этого конденсатора не может превышать толщину земной атмосферы. Сферический конденсатор Земли в первом приближении можно рассматривать как плоский конденсатор. Напряженность электрического поля в таком конденсаторе во всем объёме диэлектрика является константой. Экспериментальные замеры напряженности электрического поля в земной атмосфере показали, что ее величина уменьшается с увеличением высоты измерения. Результаты замеров приведены в таблице 1.

Таблица 1.

h[м]	1	500	1500	3000	6000	12000
E [в/м]	140	50	30	20	8	0

      Чтобы эти результаты отражали действительность одного электрически заряженного слоя (с распределенным электрическим зарядом по высоте.) в земной атмосфере оказывается недостаточно. Необходимо ввести еще один, но только уже отрицательно электрически заряженный во внешнем слое земной атмосфере. Таким образом, земной конденсатор представлен в виде следующей условной конструкции:

     - первая обкладка, поверхность Земли несущая в себе отрицательный электрический заряд;

    - вторая обкладка, средний слой атмосферы несущий в себе положительный электрический заряд;

   - третья обкладка, верхний слой атмосферы несущий в себе отрицательный электрический заряд.

     Сумма всех трех слоев электрических зарядов равна нулю и, таким образом в  целом, планета Земля обладает нулевым электрическим потенциалом относительно космического пространства, как и любой другой космический объект, например, Марс.

     Вот почему напряженность электрического поля Земли на некоторой высоте обращается в ноль. Величину этой напряженности компенсирует отрицательный электрический заряд верхнего слоя атмосферы Земли, который обращает в ноль величину напряженности в районе средней атмосферы Земли, несущий положительный электрический заряд. Определим величину поверхностного заряда Земли.

      Электрический заряд и радиус электрически заряженного шара через напряженность электрического поля на его поверхности связаны между собой соотношением:

        (7)

Где: q – электрический заряд,

         – абсолютная электрическая проницаемость,

        r  - радиус шара.

         (8)

     Верхний третий атмосферный электрический слой несет в себе отрицательный электрический заряд равный . Таким образом, средний атмосферный слой несет в себе электрический заряд равный .

    Но вот что интересно, как было сказано выше, электрический заряд Земли не разряжается, несмотря на непрерывные грозовые разряды, происходящий между атмосферой и Землей. На Земле каждую секунду вспыхивают, примерно, сто молний. В среднем каждая молния переносит электрический заряд в сорок кулонов. Определим время разряда электрического заряда земного конденсатора:

        (9)

 Таким образом, примерно за 2 мин. земной  конденсатор должен был бы полностью потерять свой электрический заряд, но этого не происходит. Почему?

     Представим себе следующую умозрительную конструкцию. Возьмём шар из диэлектрического материала и подвесим его на диэлектрической нити.

     Поместим его в электрически нейтральную среду, в которой находятся:

- электроны низкой энергии,

- протоны высокой энергии.

     Что произойдет? Протоны начнут проникать в материал шара на некоторую глубину и там застревать.

    Глубина проникновения определяется:

- материалом шара,

- средней энергией протонов.

      На глубине застревания протонов в шаре начнет накапливаться положительный электрический заряд в виде сферического слоя, который и весь шар начнет заряжать электрически положительно. Положительный электрический ряд сферического слоя создаст на поверхности шара некоторую величину напряженности электрического поля. Эта напряженность будет воздействовать на электроны среды таким образом, что они начнут притягиваться к поверхности шара и станут полностью нейтрализовать тот положительный электрический заряд созданный протонами высоких энергий внутри шара. Возникнет однослойный сферический конденсатор с некоторым электрическим зарядом.

    Именно такие конденсаторы создаются в поверхностных слоях, тех космических объектов, у которых нет газовой оболочки и поверхностный слой представлен диэлектриком. Величина напряженности электрического поля в поверхностных сферических слоях может достигать такой величины, что возникает электрический пробой материалов в поверхностном слое таких космических объектов.

    Подобные электрические процессы протекают и у космических объектов, обладающих газовой оболочкой. Таким космическим объектом является, в частности, Земля, которая окутана воздухом ее атмосферы.

    Земная атмосфера со всех сторон бомбардируется частичками высоких энергий космических лучей, которые представлены следующими микрочастицами, это:

- 90% - протоны,

- 9% - альфа-частицы,

- 1% -  более тяжелые ядра.

     Средняя энергия этих микрочастиц равна 10 ГэВ. При проникновении в атмосферу частицы высоких энергий:

-  ионизируют атомы молекулы воздуха,

- сталкиваются с ядрами атомов веществ, представляющих воздух атмосферы.

     Длина свободного пробега межу столкновениями с ядрами определяется полной массой цилиндрика площадью равной одному квадратному сантиметру того вещества, в которое приникают частицы высоких энергий (количество массы вещества на длину цилиндрика). В этих единицах вся толщина атмосферного воздуха равна 1000 грамм на квадратный сантиметр.

    Длина свободного пробега, т.е. пути между столкновениями с ядрами вещества воздуха земной атмосферы равна:

- для протонов 70 гр/см в квадрате (первое столкновение протоны испытывают на высоте 20 км),

-для альфа-частиц 25 гр/см в квадрате.

     При каждом ядерном столкновении микрочастицы в среднем теряют примерно 40% энергии.

     Вся атмосфера соответствует:

- для протонов 14 столкновений,

- для альфа-частиц 40 столкновений.

       Поскольку плотность земной атмосферы быстро растет при приближении к земной поверхности, основная масса протонов космических лучей застревает на высоте 10-15 км, а альфа-частиц на высоте 30-40 км. Экспериментальные замеры показали, что свободные электроны в заметных количествах появляются только на высоте выше 50 км. Отсюда следует, основные слои положительно заряженного атмосферного воздуха с максимальной концентрацией микрочастиц в среднем находятся на высоте 10-15 км. Вот почему напряженность электрического поля земного конденсатора именно на этой высоте обращается в ноль.

     Теперь не сложно ответить на вопрос, почему в результате непрерывного процесса грозовых разрядов электрический заряд земного конденсаторы не меняется? Это происходит потому, что он постоянно подзаряжается потоком космических лучей, которые поддерживают электрический заряд земного конденсатора неизменным.

     Определим величину зарядного тока земного конденсатора. На квадратный сантиметр земной поверхности из космоса ежесекундно поступает в среднем три микрочастицы. Приняв, что они представлены протонами, определим суммарную величину электрического тока космических лучей:

       (10)

Где:     Q – электрический заряд,

             t – время,

            s – площадь поперечного сечения,

            n   - количество электрически заряженных частиц,   

            e – электрический заряд электрона

         (11)

     Определим величину утечки тока земного конденсатора между поверхностью Земли и средним слоем атмосферы, приняв, что  и электрический заряд сосредоточен в тонком среднем слое. Между земной поверхностью и этим слоем удельное сопротивление воздуха равно:  .

       Определим  величину напряжения между средним слоем атмосферы и поверхностью Земли (таблица  2).    

Таблица  2.    

h	1	300	1500	3000	6000	12000
E	140	50	30	20	8	0
	140	95	40	25	14	4
U	140	47500	40000	37500	42000	24000

     Суммарное напряжение равно 190 Кв.

    Определим величину тока утечки:

        (12)

Где:  R – омическое сопротивление,

        U – напряжение,

        ρ – удельное сопротивление,

       h – толщина атмосферного слоя,

       s – площадь атмосферного слоя.

         (13)

     Из полученного результата следует, при таком ничтожно малом токе утечки электрический заряд земного конденсатора должен непрерывно возрастать со скоростью 2.4 кулона в секунду. На практике этого не происходит. Электрический заряд Земли практически не изменяется. В чем тут дело?   Несложно предположить, что земной конденсатор разряжается, но куда?  Между Землей и средней обкладкой напряжение равно всего лишь 190 кв. Электрическая прочность атмосферного воздуха в идеальных условиях равна 3 млн. вольт на метр. В реальной атмосфере эта величина меньше. Наблюдения за грозовыми разрядами показали, что в среднем при высоте грозового облака в 2 км разряд происходит при достижении напряжения в 1 млрд. вольт.

    Эта величина соответствует напряженности электрического поля равной:

       (14)

    Таким образом, толщина воздушного слоя всего только 0,4 м способна предотвратить искровой разряд между средним слоем атмосферы и земной поверхностью. Так куда же девается положительный электрический заряд среднего слоя атмосферы? Излишне положительный электрический заряд разряжается в виде молнии, но не на поверхность Земли, а на отрицательный электрический заряд верхнего слоя атмосферы на высоте примерно, 80-100 км. Этим разрядам, которые были обнаружены сравнительно недавно, даже были даны различные специальные названия. Возникает вопрос, каким же образом происходит искровой разряд между средним и верхним слоями атмосферы, если между ними расстояние превосходит расстояние между средним слоем и поверхностью земли в несколько раз?

     Дело здесь в том, что:

- во-1-х, плотность атмосферного воздуха здесь во много раз ниже, чем вблизи земной поверхности из-за действия барометрического эффекта. На высоте 100 км плотность воздуха в миллион раз ниже, чем на земной поверхности, что существенно снижает электрическую плотность воздуха.

- во-2-х, эта область подвергается на много большей интенсивностью облучения, как космическими, так и солнечными лучами, что также резко снижает электрическую прочность воздуха в верхних слоях земной атмосферы.

       Вот почему средний слой земного конденсатора в виде молний разряжается не на земную поверхность, а на отрицательный электрический заряд верхнего слоя атмосферы.

     Определим концентрацию протонов в среднем слое атмосферы, приняв толщину этого слоя равному 15 км:

         (15)

Где:   n  - концентрация протонов,

          N  - количество протонов,

          V  - обьем атмосферного слоя,

        Q   - электрический заряд атмосферного слоя,

         e  - электрический заряд электрона.

       (16)

     Такая излишняя концентрация протонов приборами практически не обнаруживается.

      Ну а, как же быть с грозовыми разрядами, которые происходят, как между грозовыми облаками, так и между облаками и земной поверхностью, если отправить на свалку истории капельно-ледяную идею «трущихся» водосодержащих микрочастичек в грозовых облаках подобно истории, например, «теплорода»?  Как было показано выше, грозовые разряды в земной атмосфере  не приводят к потере Землей ее электрического заряда. Следовательно, механизм, обеспечивающий грозовые явления, на земной поверхности должен быть принципиально другим. Рассмотрим этот вопрос.

      Как известно, верхние слои земной атмосферы непрерывно обдуваются солнечным ветром. Это поток ядер атомов, движущихся от Солнца к Земле, со средней скоростью 600 км/сек. Земля обладает магнитным полем. Если движущийся электрически заряженный поток частиц попадает в магнитное поле Земли под углом отличным от 90 градусов, то микрочастички начинают перемещаться по циклотронным траекториям вдоль силовых линий магнитного поля (спиральные траектории). Эти потоки названы «атмосфериками», т.к. они своим циклотронным излучением создают помехи приему сигналов радиоприемниками, которые принимают радиосигналы от передаваемых радиостанций. Возникает вопрос, какова дальнейшая судьба этих частичек?

     Перемещаясь вдоль магнитных силовых линий на высоких широтах, т.е. вблизи и вокруг магнитных полюсов Земли, частицы погружаются вглубь земной атмосферы и, сталкиваясь с ними, теряют свою энергию. На этом движение частичек вдоль магнитно - силовых линий заканчивается и таким образом они застревают в воздухе земной атмосферы, заряжая ее положительным электрическим зарядом. Скорость движения потока частиц солнечного ветра в земной атмосфере падает до нуля, но на застрявшие в атмосфере частицы напирают те частицы солнечного ветра, которые продолжают поступать  в атмосферу Земли из космического пространства. Это повышает концентрацию электрически заряженных частиц в земной  атмосфере вокруг магнитных полюсов, поскольку Земля вращается вокруг оси.

      В верхних слоях атмосферы, т.е. выше слоя с положительным электрическим зарядом вокруг магнитных полюсов возникает отрицательный электрический заряд соответствующей величины. Между этими  зарядами действует напряжение, создающее электрические токи, протекающие через верхние слои атмосферы. В результате чего и возникает полярные сияния. Таким образом, верхняя часть положительного электрического заряда вблизи магнитных полюсов нейтрализуется.

        Обратим особое внимание на следующее обстоятельство. При первичной концентрации протонов в приполярных районах земной атмосферы часть протонов, как было сказано выше, соединяется  с электронами и преобразуется в атомы и молекулы электрически нейтрального водорода. Водород, как  наилегчайщий газ, перемещается в верхние высотные слои земной атмосферы и, в частности, попадает в сферу озонового слоя Земли. Это приводит к уменьшению концентрации озонового слоя Земли в ее приполярных районах. Изменение озонового слоя происходит также из-за солнечной активности и сезонное из-за наклона земной, а точнее магнитной оси, что приводит к перераспределению протонов между земными полюсами.

    Нижняя часть положительных электрических зарядов, которая находится относительно далеко от верхнего слоя атмосферы, создает электрический заряд противоположного знака, но уже на земной поверхности и таким образом, нижняя часть положительного электрического заряда стабильно сохраняет свое существование в земной атмосфере. Рассмотрим дальнейшую судьбу этого заряда.

     В глобальном плане в  связи с различным широтным нагревом земной поверхности действует меридиональный механизм циркуляции атмосферного воздуха в виде ячеек Гадлея (Хедли)-Ферреля.

      На экваторе теплый поток воздуха поднимается вверх и перемещается к тридцатым широтам северных и южных направлениях. Здесь воздух опускается вниз к земной поверхности и возвращается к экватору. Это первая циркуляционная ячейка.

    Между 30 и 60 параллелями в обоих полушариях действует вторая ячейка. На 30 параллели воздух опускается вниз к поверхности Земли и движется в противоположную от экватора сторону. На 60-й параллели воздух поднимается вверх и возвращается к 30-й параллели.

     И наконец, третья полярная ячейка действует следующим образом. На 60-й параллели воздух поднимается вверх и движется по направлению к полюсам. Здесь он опускается к земной поверхности и возвращается к 60-й параллели. В реальности движение воздуха существенно сложнее, т.к. на его циркуляцию воздействует осевое вращение Земли и ряд других факторов. Здесь важна глобальная тенденциозность перемещения воздушных земных масс. Как известно кислород вырабатывается зелеными растениями. Механизм перемешивания воздуха настолько эффективен, что за долгие зимние месяцы, когда зеленая растительность в северном полушарии отсутствует, живые организмы не испытывают недостатка в кислороде.

     У ячеек, которые перемещают воздушные массы, нет четких границ. В местах соприкосновения происходит частичное перемешивание перемещающихся воздушных масс воздуха принадлежащих к разным ячейкам.  

    Вернемся к полярным ячейкам. Из-за эффекта действия солнечного ветра верхний поток воздуха непрерывно приобретает положительный электрический заряд, т.е. заряжается, затем опускается к земной поверхности и вдоль ее перемещается к 60-й параллели. Здесь воздух полярной ячейки смешивается с воздухом средней ячейки и через обратный поток этой ячейки переносится к 30-й широте. Здесь воздух опускается вниз, частично смешивается с воздухом экваториальной ячейки и над земной поверхностью переносится к экватору, где южный и северный электрически заряженные воздушные потоки встречаются.

     Таким образом, происходит распределение электрически заряженных воздушных масс атмосферы над земной поверхностью. Ясно, что при движении от земных полюсов к экватору электрически заряженные воздушные потоки ветрами фрагментируются, т.е. разделяются на отдельные электрически заряженные самостоятельные объёмы атмосферного воздуха или, наоборот, перемешиваются с электрически нейтральными объёмами воздуха. В последнем случае, если перемешивание происходит с переувлажненным воздухом, то электрически заряженные микрочастицы играют роль  центра конденсации влаги водяные капельки. Таким образом, грозовые разряды над земной поверхностью возникают в тех районах, куда ветер приносит электрически заряженные объёмы воздуха.

    Если же происходит вертикальное перемещение электрически заряженных объёмов воздуха, то при движении верх плотность заряда понижается, а при движении вниз – возрастает. Это объясняется действием барометрического эффекта (изменение давления атмосферы в зависимости от высоты над поверхностью Земли). Процесс переноса электрических зарядов, порождаемых солнечным ветром, происходит в приповерхностном нижнем слое земной атмосферы.

    Следовательно, у системы Земля-атмосфера электрические заряды располагаются на четырех уровнях;

- верхняя атмосфера (отрицательный электрический заряд),

- средняя атмосфера (положительный электрический заряд),

- нижняя атмосфера (положительный электрический заряд),

- земная поверхность (отрицательный электрический заряд).

     Напомним, средний электрический заряд Земли не изменяется. Он является следствием действия положительного электрического заряда средней атмосферы и достаточно равномерно распределен вокруг Земли.

    Грозовые  явления над поверхностью Земли являются следствием наличия электрических зарядов нижнего слоя атмосферы, который носит весьма фрагментарный характер в земной атмосфере, при том, что происходит его непрерывный разряд на земную поверхность в частности в виде молний из-за его близости к этой поверхности. Это не дает возможности непрерывно накапливать этот заряд. Таким образом, не грозовые облака заряжаются электрическим зарядом, а, наоборот, в электрически заряженной атмосфере в распределенном состоянии находятся микрочастички, несущие на себе электрические заряды, которые и играют роль центров конденсации молекул воды в водяные дождевые капли. Отсюда следует, именно электрические заряды являются фактором образования дождевых грозовых облаков.

     Определим параметры электрических процессов, протекающих в нижнем электрическом слое земной атмосферы.

    Пример, среднее грозовое облако имеет следующие параметры:

- высота нижней кромки облака над земной поверхностью равна 2 км;

- толщина облака 3км,

- размер 20км,

- минимальная величина электрического напряжения грозового разряда равно 0,8 млр.

   вольт. Это соответствует напряженности электрического поля 400 киловольтам на метр;

- при электрическом разряде переносится 40 кулонов электричества,

- за период протекания грозовых явлений в виде молний происходит несколько

   электрических разрядов.

      Поскольку нижний электрический слой атмосферы расположен в нескольких километрах от земной поверхности, примем, что верхние электрические слои атмосферы в грозовых процессах участие не принимают,

      Экспериментальные исследования показали, электрическая прочность атмосферного воздуха определяется:

- плотностью воздуха,

- расстоянием между электродами,

- формой электродов,

- влажностью воздуха.

     Для плоских электродов и при сухом воздухе, находящегося в нормальных условиях (средние параметр вблизи земной поверхности) при расстоянии между электронами более 1м электрическая прочность воздуха уже мало зависит от расстояния между электродами, поэтому примем, что из-за большого слоя атмосферного воздуха его электрическая прочность не зависит от расстояния между электродами. В этом случае электическая прочность воздуха равна . Для двух километровой высоты величина электрической прочности могла быть равной 6 млрд. вольт, но электрическая прочность воздуха пропорциональна его плотности, а плотность в свою очередь определяется давлением и температурой воздуха.

     Отсюда получим следующую формулу для электрической плотности воздуха:

        (17)

Где:     P – давление,

           T – температура,

           – нормальная температура (0 градусов Цельсия),

          – нормальное давление (одна атмосфера).

   Давление и температуру воздуха с увеличением  высоты над поверхностью Земли уменьшается. На высоте 2 км до следующих величин:

- температура на 4%,

- давление на 21%.

     Отсюда электрическая прочность воздуха на высоте 2 км становиться равной следующей величине:

        (18)

      Снижение электрической прочности воздуха при грозовом разряде до 400 Кв/м происходит из-за:

- повышенной влажности воздуха,

- поверхностной формы:

·         земной поверхности,

·         нижней кромки грозового облака.

     Определим электрическую емкость облака:

       (19)

 

Где:    – электрическая константа,

         S – площадь облака,

         h – толщина облака.

Определим минимальную величину электрического заряда облака;

        (20)

      В грозовом облаке может содержаться электрический заряд достаточный для 10 грозовых разрядов. Средняя величина электрического заряда 1 молнии равна 40 кулонам.

      При возникновении молнии электрический разряд движется по пути наименьшего омического сопротивления, т.е. в том направлении, где электрическая прочность воздуха минимальна. Отдельный грозовой разряд протекает следующим образом. Грозовые облака образуются на высоте примерно 1–2 км. Плотность атмосферы на этой высоте на 10–20% ниже, чем на поверхности Земли. Электрическая прочность сухого воздуха на поверхности Земли равна примерно 3 млн вольт/м толщины воздуха. Экспериментальные исследования показали, с увеличением толщины удельная электрическая прочность воздуха снижается. Для возникновения грозовых разрядов электрическая прочность воздуха снижается на порядок и составляет 300–400 киловольт/м. Если принять длину молнии, равной километру, то между грозовым облаком и поверхностью Земли возникает разность потенциалов, равная, примерно, 0,4 млрд вольт. Электрическая прочность воздуха обратно-пропорциональна его плотности. Вблизи грозового облака электрическая плотность воздуха на 10% ниже, чем вблизи поверхности Земли. Это приводит к тому, что электрический пробой воздуха вначале происходит на грозовом облаке, причем на коротких участках, стримерах, т.к. на нижних участках воздух атмосферы обладает большей плотностью, а, следовательно, и большей электрической прочностью. После пробоя первого участка атмосферы вблизи грозового облака возникает относительно тонкий токопроводящий канал, что соответствует уменьшению омического сопротивления этого участка атмосферы. В результате исходное напряжение прикладывается к воздуху атмосферы уже меньшей толщины. Это приводит к повышению напряженности электрического поля на электрически не пробитом участке атмосферы. Повышенная напряженность оказывается способной пробить воздух уже большей электрической прочности. Таким образом, возникает следующий пробойный участок атмосферы, начиная от облака и т.д. Процесс продолжается до поверхности Земли. Как только первичный разрядный канал достигает поверхности Земли, на ее поверхности возникает переходной участок с огромной локальной напряженностью электрического поля. Это поле вырывает электрические заряды уже непосредственно из вещества Земли, и возникает вторичный лавинообразный электрический разряд, который и образует молнию.

         Фронт молнии распространяется от поверхности Земли к грозовому облаку по первичному каналу со скоростью, соизмеримой со скоростью распространения света. Эта скорость достигает величины м/сек. Для сравнения скажем, такой скорости достигают электроны, движущиеся в электронно-лучевых трубках телевизионных приемников. Следовательно, грозовой разряд это – линейный ускоритель электрических зарядов, которые перемещаются не в вакууме, а в воздухе атмосферы Земли. В месте выхода электрического заряда Земли и по всему каналу грозового разряда вещество разогревается проходящим через него электрическим током до температуры 30000°С, но сам разряд длится недолго, порядка микросекунды. Тем не менее, энергия одного грозового разряда достигает сотен киловатт-часов.

         Во время основного грозового разряда молниевый канал представляет собой довольно устойчивый плазменный шнур. При начале снижения величины грозового тока устойчивость этого канала нарушается. Такая неустойчивость связана с взаимодействием кольцевого  магнитного поля с током грозового шнура. Случайным образом в токовом канале возникают участки с меньшей и большей плотностью тока. Участки с большей плотностью – имеют меньшее сечение, чем те, которые имеют меньшую плотность тока. Это приводит к увеличению локальных напряженностей кольцевых магнитных полей, охватывающих эти участки вдоль токового шнура, что в свою очередь, приводит к локальным дополнительным уменьшениям сечения токового канала. Процесс протекает лавинообразно (пинч-эффект). Из-за большей плотности тока на участках с меньшим сечением происходит более сильный нагрев газа атмосферы. Это приводит к тому, что при исчезновении молниевого тока плазменный шнур распадается на отдельные светящиеся бусинки, угасанием которых и заканчивается молниевый разряд.

      Вернемся к определению электрических параметров грозовых облаков.

      Общий  электрический заряд грозового облака равен следующей величине:

        (21)

Где: U –напряжение между облаком и поверхностью Земли,

       S – площадь облака.

    Такое облако создает следующую величину напряжения между облаком и земной поверхностью:

        (22)

Где: Q – электрический заряд облака,

         C- емкость электрического конденсатора, создаваемая грозовым облаком.

   Таким образом, при грозовых разрядах облако теряет  следующую долю своего электрического заряда:

        (23)

  Остаточный электрический заряд облака равен  к. Электрическая энергия грозового облака определяется следующим образом:

        (24)

  Начальная электрическая энергия облака равна следующей величине:

       (25)

   Конечная энергия облака равна следующей величине:

       (26)

     Таким образом, после окончания грозовых разрядов облако теряет примерно половину своей электрической энергии.

     Определим время разряда электрически заряженного объёма атмосферного воздуха в условиях сухой атмосферы. Время разряда конденсатора определяется временем константы его разряда. Константа разряда оправляется следующим образом:

τ  = RC        (27)

Где:   R – сопротивление цепи разряда,

         C  - электрическая емкость атмосферного конденсатора.

       (28)

      (29)

     Где:  ρ - удельное сопротивление воздуха

    Примем:

        (30)

       (31)

    Таким образом, каждые, примерно два месяца электрический заряд нижнего слоя земной атмосферы будет терять 63% своего электрического заряда. За это время в виде молний нижний земной слой атмосферы будет терять следующую величину электрического заряда. Примем, в секунду происходит 100 разрядов молний между грозовыми облаками и земной поверхностью:

      (32)

   Суммарная потеря электрического заряда равна следующей величине:

       (33)

   Отсюда, разряд общего тока  электрического заряда нижнего электрического слоя земной атмосферы равен следующей величине:

        (34)

   Интенсивность грозовых явлений в усредненном токе носит стабильный характер. Отсюда следует, текущий электрический заряд нижнего слоя атмосферы равен  . От общего электрического заряда Земли величина электрического заряда нижнего слоя атмосферы составляет следующую величину:

        (35)

      Отсюда следует, электрический заряд нижнего электрического слоя земной атмосферы в усредненном плане практически не оказывает влияние на общую величину электрического заряда, которым обладает Земной шар. Вот почему молнии не способны разрядит электрический заряд Земли в целом.

     Определим общую мощность, которая выделяется при разряде электрического заряда нижнего слоя атмосферы на земную поверхность;

       (36)

      Для сравнения совокупной мощность электростанций на земле равна    .

     Как было сказано выше, распределение электрического заряда в нижнем слое атмосферы определяется всевозможными ветровыми потоками, которые разносят этот заряд над земной поверхностью, поэтому он над поверхностью Земли носит весьма фрагментарный характер.  

      Концентрация электрически заряженных частиц в грозовом облаке примерно в 1000 раз выше, чем в среднем электрическом слое атмосферы. Следовательно, хотя на общий электрический заряд Земли нижний электрический слой атмосферы практически не оказывает влияния, но на электрический заряд той земной поверхности, непосредственно находящейся под грозовым облаком, заряд облака оказывает существенное влияние, а именно, существенно увеличивает поверхностную плотность электрического заряда, поэтому опасно находиться в данном локальном месте.

       Возникает вопрос, способен ли солнечный ветер обеспечить необходимые условия для возникновения грозовых облаков, а именно, обеспечить:

- концентрацию электрически заряженных частиц в воздухе атмосферы равной 

- ток разряда  электрического заряда нижнего слоя атмосферы равного 6.4 кило-ампера.

    Средняя скорость потока солнечного ветра равна 600 км/сек. средняя плотность электрически заряженных микрочастиц в потоке равна 35 в кубическом сантиметре. Определим величину общего тока солнечного ветра через площадь круга равного радиусу Земли. Через площадь в 1 квадратный сантиметр протекает следующий ток, образованный солнечным ветром:

        (37)

Где:     v – скорость движения микрочастиц,

           n – концентрация микрочастиц,

           e – электрический заряд микрочастиц в электронных единицах.

Через площадь равную радиусу Земли протекает следующий ток солнечного ветра:

    (38)

        (39)

     Этот ток более чем в 67000 раз превосходит разрядный ток электрического заряда нижнего слоя атмосферы.

    Таким образом, потока солнечного ветра с большим избытком хватает для обеспечения разрядного ока электрического заряда нижнего электрического слоя атмосферы.

    Из сказанного следует, решающую роль в образовании грозовых процессов над поверхностью Земли. играет  ее общее магнитное поле. Отсюда следует, например, на Венере, где практически отсутствует общее магнитное поле, интенсивность протекания грозовых процессов происходит существенно ниже, чем в земных условиях.

    Рассмотрим вопрос обеспечения необходимой концентрации электрически заряженных микрочастиц в грозовом облаке.   Первая ступень повышения концентрации электрически заряженных микрочастиц происходит из-за повышения плотности электромагнитного потока при их движении от средних экваториальных районов магнитного потока  к земным магнитным полюсам.

    На втором этапе концентрация повышается из-за того, что скорость переднего фронта микрочастиц, движущихся вдоль силовых линий при их застревании в атмосфере воздуха падает практически до нуля, а предыдущий поток давит на застрявшие микрочастицы, тем самым повышая их концентрацию.

    Наконец на третьем этапе плотность концентрации растет из-за того, что фронт застрявших в атмосфере воздуха микрочастиц происходит высоко над земной поверхностью, где низкая плотность атмосферного воздуха. При увлечении ветровым потоком электрически заряженных объёмов воздуха происходит приближение этих объёмов к земной поверхности и концентрация электрически заряженных микрочастиц теперь растет уже из-за повышения плотности атмосферного воздуха. Перечисленные этапы повышения концентрации электрически заряженных микрочастиц обеспечивают ту концентрацию, при которой электрические заряды грозовых облаков достигают достаточных величин для возникновения грозовых разрядов.

   Возникает вопрос, если основной заряд электричеством атмосферного воздуха происходит в полярных районах Земного шара, то почему там не происходит и его электрический разряд на земную поверхность в виде молний? Такие разряды происходят в средних шротах и даже в экваториальной широте Земли.  Ответ здесь следующий.

   Во-первых, воздух в полярных районах имеет низкую температуру, обладает низкой влажностью, поэтому имеет  максимальную электрическую прочность, что и затрудняет перенос электрических зарядов на поверхность Земли в виде молний. В полярных районах поверхность представлена льдом с высоким удельным сопротивлением. Это дополнительно затрудняет возникновение молний, поэтому там грозы не образуются.

     Во-вторых, из-за относительно низкой энергии микрочастиц солнечного ветра насыщение воздушного потока электрически заряженными частицами происходит высоко над поверхностью Земли. Даже при движении электрически заряженных объёмов воздуха к земной поверхности эти объёмы не достигают той высоты, при которой возможен электрический искровой разряд. Тем не менее, в дальнейшем такие разряды происходят. Почему?

    Представим грозовое облако в виде электрического конденсатора. Для плоского конденсатора силы притяжение между пластинами конденсатора определяются выражением:

        (40)

   Давление, действующее со стороны пластин на диэлектрик конденсатора, определяется выражением:

       (41)

       (42)

      (43)

       (44)

  Подставим значение Е в формулу определяющую давление:

      (45)

       (46)

        (47)

Р = 0.01 мм ртутного столба      (48)

    На электрический заряд грозового облака постоянно действует электростатическая сила притяжения со страны земной поверхности, которая постепенно приближает к земной поверхности этот электрический заряд. Сила давления со стороны электрического заряда грозового облака не велика, но она действует постоянно и не зависит от высоты расположения облака. Учитывая невысокую скорость вертикального движения грозовых масс, эта сила постепенно приближает электрический заряд грозового облака к земной поверхности до тех пор, пока расстояние между электрическим зарядом и Землей не достигнет величины пробивного напряжения. После этого наступает этап протекания серии грозовых разрядов.

    Если не вызывает затруднение в понимании возникновения электрических разрядов между верхним и средним слоем атмосферы, т.к. здесь разряд происходит между электрическими зарядами с противоположным электрическим знаком, то может вызвать затруднение в понимании причины разрядов между облаками. Фактически необходимо ответить на вопрос, что происходит в воздушном пространстве, если оно заполнено однознаковыми электрическими зарядами? Согласно действию закона электрической энтропии, однознаковые электрические заряды стремятся максимально равномерно распределиться в пространстве, а разнознаковые нейтрализовать друг друга.

     Подвесим в воздухе на диэлектрической нити два электрически нейтральных шара равного диаметра из токонепроводящего материала на некотором небольшом расстоянии друг от друга. Начнем заряжать один из шаров либо положительным, либо отрицательным электрическим зарядом. Что произойдет? При достижении некоторой предельной величины электрического заряда на заряжаемом шаре разность потенциала между шарами достигнет такой величины, что наступит энергетический пробой воздуха и между шарами проскочит искра. Электрические заряды на шарах станут равными за счет того, что часть заряда заряжаемого шара перейдет на электрически нейтральный шар. Если продолжится электрический заряд первого шара, то через некоторое время процесс выравнивания электрического заряда между шарами повториться и т.д. Отсюда следует, если в каком-то объёме атмосферы сформировался электрический заряд с конкретной повышенной величиной его плотности относительно других объёмов пространства при одинаковом знаке электрических зарядов, то он будет стремиться переместиться в те объёмы пространства, где плотность электрического заряда ниже. Если же разность плотностей зарядов окажется настолько высокой, что превышает величину пробивной напряженности атмосферного воздуха, то перетекание электрического заряда из области повышенной плотности в область пониженной произойдет в виде искрового разряда, т.е. молнии. Таким образом, разряды между грозовыми облаками происходят по причине высокой разности плотности электрических зарядов одного и того же знака в этих облаках, а изменение плотности происходит из-за разряда электрического заряда облаков на земную поверхность.

     Необходимо также отметить, что поскольку в целом системы Земля-атмосфера неукоснительно сохраняют свои электрическую нейтральность относительно космического пространства, любое изменение величины электрического заряда в одном из слоев электрического конденсатора оказывает соответствующее воздействие на величины электрических зарядов в остальных электрических слоях Земля-атмосфера. Например, образование грозового облака в любом районе Земного шара изменяет величину поверхностного электрического заряда в диаметрально противоположном районе земной поверхности, а именно, увеличивает величину заряда. Протекание грозовых разрядов наоборот, уменьшает величину этого заряда.

Валерий Гребенников

8-928-16-00-581

 

http://gvaleriy.blogspot.ru/2016/03/blog-post.html