Фейнман – общепризнанный классик физики, причем он очень талантливый педагог, на его лекциях выросло не одно поколение ученых. Нас в этой работе будет интересовать всего один раздел его лекций Глава 9. «Электричество в атмосфере». Грубо прошло полвека с времен написания этого раздела, я думаю, не только мне, интересно сравнить, как изменились наши взгляды на атмосферное электричество. Начнем с количественной оценки электрического поля: Вот что дает Фейнман:

§ 1. Градиент электрического потенциала в атмосфере

Цитата 1.

 В обычный день над пустынной равниной или над морем электрический потенциал по мере подъема возрастает с каждым метром примерно на 100 в. В воздухе имеется вертикальное электрическое поле Е величиной 100 в/м. Знак поля отвечает отрицательному заряду земной поверхности.

 Цитата 2.

 Рассмотрев способы измерения электрического поля в атмосфере, продолжим теперь его описание. Измерения прежде всего показывают, что с увеличением высоты поле продолжает существовать, только становится слабее. На высоте примерно 50 км поле уже еле-еле заметно, так что большая часть изменения потенциала (интеграла от Е) приходится на малые высоты. Вся разность потенциалов между поверхностью земли и верхом атмосферы равна почти

 400 000 в.

Конец выдержки.

 

   Прошло каких-то 50 лет, какую же количественную характеристику сегодня дает физика электрическому полю Земли. Заглянем в Интернет, наберем в Google комбинацию слов. На первой странице (что косвенно соответствует самой распространенной точке зрения) находим:

 Цитата

 Электрическое поле Земли

 

 Экспериментально установлено, что возле Земли имеется электрическое поле величиной около 130 В/м. Знак поля соответствует отрицательному заряду Земли. С удалением от Земли (с увеличением высоты) поле продолжает существовать, но становится слабее. На высоте около 50 км поле уже еле-еле заметно. Большая часть изменения потенциала происходит на малой высоте. Вся разность потенциалов между поверхностью Земли и верхом атмосферы составляет около 400 кВ.

 Источник http://esis-kgeu.ru/ems/369-ems

       Видим, вроде ничего не изменилось, все те же цифры или почти те же, что и у Фейнмана. Смотрим дальше. В той же поисковой системе на той же первой странице находим еще один источник и цитируем:

 Цитата

 § 29. Электрическое поле Земли.

 

  Электричество и магнетизм.  -  Электрическое поле.

 

  Опыт показывает, что электрометр, соединенный с зондом, дает заметное отклонение даже и в том случае, когда поблизости нет специально заряженных тел. При этом отклонение электрометра тем больше, чем выше точка над поверхностью Земли. Это значит, что между различными точками атмосферы, находящимися на разной высоте, имеется разность потенциалов, т. е. околоземной поверхности существует электрическое поле. Изменение потенциала с высотой различно в разное время года и для разных местностей и имеет в среднем вблизи земной поверхности значение около 130 В/м. По мере подъема над Землей поле это быстро ослабевает, и уже на высоте 1 км напряженность его равна только 40 В/м, а на высоте 10 км оно становится ничтожно слабым. Знак этого изменения соответствует отрицательному заряду Земли. Таким образом, мы все время живем и работаем в заметном электрическом поле (см. упражнение 29.1).

 

 Экспериментальное исследование этого поля и соответствующие расчеты показывают, что Земля в целом обладает отрицательным зарядом, среднее значение которого оценивается в полмиллиона кулонов. Этот заряд поддерживается приблизительно неизменным благодаря ряду процессов в атмосфере Земли и вне ее (в мировом пространстве), которые еще далеко не полностью выяснены.

Конец выдержки.

Обратите внимание, что многие современные физики на основании последних замеров дают данные, что на высоте уже 10 км электрическое поле Земли ничтожно ослабевает. Так что Фейнман ошибался?

 Пытаемся разобраться дальше. Открываем работу Кузнецова В.В.  «Не потенциальное геомагнитное поле, токи Шмидта – Брауэра и атмосферный электрический ток».

Вот цитата:

Заряды в атмосфере

Сравним величины электрических зарядов в атмосфере Земли:

- Средний заряд грозового облака 50 кулон.

- Заряд циклона, по нашим оценкам, достигает Q =5_103 Кл. Площадь его 100_100

км2 [?].

- Заряд Земли как шара радиусом R обладающим полем Е = 100 В/м: Q1= e R2

EE

= 5.7_105 кулон, RE – радиус Земли e– электрическая постоянная.

- Заряд слоя положительных ионов, толщиной 1 км, на высоте 85 км: Q2 = NShe

= 104см􀀀3 _5_1018 см 2_105 _1:6_10􀀀19 Кл = 109 Кл, где N - концентрация зарядов,

S - площадь поверхности Земли, h - толщина слоя, е - заряд электрона [8].

- Заряд, переносимый к Земле током дождя в течение одних суток на территории

равной примерно 0:1% от общей поверхности Земли: Q3 = j S kt = 10􀀀10 А/см 2_5 _

1018 см 2_10􀀀3_ 1 сутки (( 105 с) = 5_1010 Кл. Здесь: j – плотность тока дождя, k

– доля поверхности Земли, занятой дождем, t - время зарядки Земли дождем.

- Заряд конденсатора .Земля-ионосфера.: Q4= CU, где С - ёмкость конденса-

тора Земля-ионосфера (электросфера) C = 4peoDRE/RE

2 = 5 _ 10􀀀2 ф. DRE – высо-

та ионосферы. U – потенциал ионосферы U = 300 000 В. Q4= CU = 5_10􀀀2 ф

_3 _ 105 = 1:5 _ 104 Кл.

Конец цитаты.

Как видим  положительный заряд и достаточно солидный снова появился на высоте нескольких десятков километров. Вернее заряд, как бы не исчезал, напрямую его никто не отрицал, но приближение потенциала электрического поля к нулю на высоте порядка пяти километров косвенно  свидетельствовал, что положительный заряд остался ниже. Других вариантов никто и не предлагал.  И только мы в ряде работ обратили внимание на тот факт, что молекулы воды имеют очень приличную диэлектрическую проницаемость – 81. А так как в атмосфере воды содержится достаточно большое количество (до 2%), то конденсатор электрического поля Земли имеет между обкладками диэлектрик с переменной диэлектрической проницаемостью (на диэлектрическую проницаемость влияет температура и концентрация водяных паров). С этих позиций легко объяснить все перечисленные факты. С высотой диэлектрическая проницаемость атмосферы растет, а разность потенциалов поля падает, даже не смотря на наличие выше огромного положительного заряда. Все встало на свои места. Выше высоты 5-10 км напряженность электрического поля должна снова расти за счет уменьшения содержания водяных паров, а следовательно и местной диэлектрической проницаемости атмосферы. Только этим и можно объяснить наличие высотных разрядов.

    Следующий острый вопрос : Молнии заряжают Землю или разряжают?

   Если взять «Фейнмановские лекции по физике»   Том 5, М, 1977  (стр.180) где сказано:

 «Оказывается, вспышки молний не «разряжают» той разности потенциалов, о которой мы говорили (и как могло бы на первый взгляд показаться).  Молнии снабжают Землю отрицательным зарядом.  Если мы увидели молнию, то можно поспорить на десять против одного, что она принесла на Землю большое количество отрицательных зарядов.  Именно грозы заряжают Землю в среднем током 1800 а электричества, которое затем разряжается  в районах с хорошей погодой.»

   И так до сих пор считают многие ученые, хотя со времен Фейнмана роль молний в зарядке земного конденсатора сильно в глазах ученых потеряла значение, она другими факторами оттеснена на второй план. Но вернемся к вопросу зарядка или разрядка. Наше мнение однозначное: Молнии разряжают Землю, то есть мы попытаемся Фейнману и его единомышленникам возразить. Вот цитата из интернета:

 В некоторых случаях коронный разряд с молниеотвода бывает настолько сильным, что у острия возникает ясно видимое свечение. Такое свечение иногда появляется и возле других заостренных предметов, например на концах корабельных мачт, острых вершинах деревьев и т. п. Это явление было замечено еще несколько веков тому назад («огни святого Эльма») и вызывало суеверный ужас мореплавателей, не понимавших истинной его сущности.

Конец цитаты.

Напомним читателям, что в газах существует электронный пробой и только электронный, то есть носители тока электроны. Именно они разгоняются сильным электрическим полем, и происходит пробой (искровой разряд). Положительные ионы в тысячи раз тяжелее электронов их в воздушной среде существующие поля разогнать до скоростей пробоя не могут. Следовательно, огни Эльма – это свечение электронов, истекающих из острия навстречу положительному заряду. В итоге при молнии электроны утекают с отрицательно заряженной Земли в положительное облако тучи. При этом происходит разряд электрического поля (локальный), а не заряд.

Другим доказательством нашей точки зрения, а не фейнмановской, служат фотографии молний. Вот пример:

Острый угол между стволом и ветвями указывает направление движения зарядов в молнии, а так как движутся электроны, то направление их движения - от Земли в облако.

Третьим доказательством (бесспорным) может служить то, что разряд разряжает, а не заряжает, на то он и разряд, иначе нарушается закон сохранения энергии.

Если Землю отрицательно заряжают не молнии, то кто же?

Земля заряжается отрицательно за счет испарений влаги, а с влагой и положительных ионов гидроксония. К такому выводу пришли мы в работе «Загадка земного электричества». Не зависимо от нас к такому же выводу пришел доктор технических наук Владимир Валерьевич Кузнецов в работе «НЕ ПОТЕНЦИАЛЬНОЕ ГЕОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ, ТОКИ ШМИДТА-БАУЭРА И АТМОСФЕРНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК» и других.  Испарения происходят не только с поверхности океана и суши, но и в атмосфере пары воды постоянно конденсируются и снова испаряются. Там тоже происходит разделение зарядов, отрицательный заряд остается преимущественно в жидкой и твердых (льдинках) фазах, а положительный в газовой. Вместе с осадками отрицательный заряд падает на Землю, подзаряжая ее. Разряжают же конденсатор Земли молнии и ток ясной погоды.

        Далее следует сказать и о высотной части электрического поля Земли. Несомненно, солнечный ветер тоже создает электрическое поле Земли за счет потока ионов. Поток положительных ионов и поток отрицательных электронов по разному взаимодействуют с магнитным полем Земли, а поэтому этим полем разделяются. Во-первых, отметим, что доказательством влияния солнечного ветра на электрическое поле может служить колебания характеристик электрического поля при форбуш понижении, а так же распределение гроз на Земле в течении суток. Вот рисунок:

Из этого рисунка следует, что количество гроз на любом континенте максимально либо в полдень, либо чуть позже, то есть в той части Земли, которая повернута к Солнцу в исходный момент и максимально бомбардируется солнечным ветром. Нужно остановиться на такой детали, очень важной детали, отдельные ионы солнечного ветра не способны проникать в магнитное поле и тропосферу, потому как имеют энергию меньше, чем протоны ГКЛ. Проникающая способность любого тела растет с увеличением его энергии, в том числе и элементарных частиц. Итого СКЛ имеют меньшую проникающую способность по сравнению с ГКЛ согласно этого правила, но если посмотреть отклонения температуры атмосферы при форбуш-понижении, то все выглядит с точностью до наоборот. Вот доказательство:

Отсюда наш вывод: так как СКЛ движутся вместе с магнитными силовыми линиями, они как бы вмораживают магнитное поле Солнца, то это их снабжает эффектом коллективизма, что и позволяет СКЛ проникать глубоко в атмосферу. Другой отличительной особенностью СКЛ от тех же ГКЛ является их локальная неоднородность по интенсивности. А так как СКЛ, глубоко проникшие в атмосферу, имеют положительный заряд, то неоднородность по плотности СКЛ приводит к локальным всплескам электрического поля.  А это в свою очередь ведет к интенсификации токов Шмидта-Бауэра. В конечном итоге это все отражается на облачности и пагоде. В периоды всплесков СКЛ как правило развита кучево-башенная облачность, а в периоды спокойного Солнца облачная пелена. Это и является основным механизмом влияния активности Солнца на погоду и климат.

                             

 

 

Первоисточники

 

1.  Р.Фейнман, Р.Лейтон, М.Сэндс

ФЕЙНМАНОВСКИЕ ЛЕКЦИИ ПО ФИЗИКЕ

5. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ

2. В.В. Кузнецов

 НЕПОТЕНЦИАЛЬНОЕ ГЕОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ, ТОКИ ШМИДТА-БАУЭРА

И АТМОСФЕРНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК.

 

3.  В.М Ерашов «Загадка земного электричества»

4.   В.М. Ерашов «Атмосферное электрическое поле»

5. М.И.Пудовкин» Влияние солнечной активности на состояние нижней атмосферы и погоду»