Mūsdienu zinātnei ir salīdzinoši liels zināšanu krājums par Zemes atmosfēru un tajā notiekošo procesu dažādību. Šķiet, ka tas viss ir labi jāizpēta un rūpīgi jāmodelē zinātnieku iecienītās laboratorijās. Taču izrādās, ka līdz šim nav skaidra, nepārprotama priekšstata par tādu parādību kā atmosfēras elektrība. Gluži pretēji, ir vairāki modeļi, no kuriem katram ir savi plusi un mīnusi.
Mazliet vēstures
Persona, kas stāvēja pie pētījuma pirmsākumiem un zinātniski apstiprināja, patiesībā, šīs parādības esamību, ir pasaulslavenais ASV veidošanās ideologs - Bendžamins Franklins. Patiešām, atmosfēras elektrība kā fiziska parādība viņam bija hipotētisku aprēķinu stadijā. Viens no Amerikas dibinātājiem bija pirmais, kurš parādīja savu klātbūtni gaisā, kā arī izskaidroja iemesluszibens rašanās. Interesantākais šajā stāstā ir fakts, ka Frenklins izmantoja pūķi ar īpašu smailu stiepli, lai to pierādītu.
Šādi savācot elektrību, viņš saņēma dzirksteles izlādi, atverot atslēgu vienkāršākajā zemējuma ķēdē. Vienkāršs veids, kā pierādīt lādētu daļiņu klātbūtni atmosfērā, tomēr nekādā veidā nemazina šī izcilā politiķa, kā arī zinātnieka nopelnus šeit aplūkotās dabas parādības atklāšanā. Pēc tam fiziķi visā pasaulē sāka apstiprināt savus rezultātus ar saviem šāda veida eksperimentiem.
Kas ir atmosfēras elektrība?
Šī ir dažādu procesu kombinācija, ko izraisa lādētu daļiņu klātbūtne gaisā, kas ieskauj Zemi. Zinātnieki pēta tādas parādības kā atmosfēras elektriskais lauks, tā intensitāte, ar to saistītās strāvas, kosmosa lādiņi un daudzi citi punkti. Piemēram, meteoroloģiskie, vides faktori, ietekme uz dažādām cilvēka antropoloģiskās darbības nozarēm: aviāciju, rūpniecību, lauksaimniecību utt.
Ērta fiziska līdzība
Mūsu planēta ļoti aptuvenā tuvinājumā ir milzīgs sfērisks kondensators. Šī ir vienkāršākā ierīce, kas var uzglabāt elektroenerģiju. Jonosfēru un pašu zemes virsmu var uzskatīt par milzu kondensatora plāksnēm. Šajā gadījumā gaiss darbojas kā izolators, kas normālos apstākļos irļoti zema elektriskā vadītspēja. Zemes virsma ir negatīvi lādēta, savukārt jonosfēra ir pozitīvi uzlādēta.
Tāpat kā starp parastā kondensatora plāksnēm šeit veidojas elektriskais lauks, kam ir pilnīgi unikālas īpašības. Piemēram, tā intensitāte ir maksimālā pie zemes virsmas, eksponenciāli samazinoties, palielinoties augstumam. Starp citu, jau 10 kilometrus virs jūras līmeņa tā vērtība ir 30 reizes mazāka. Šis lauks pamatā veido visu parādību daudzveidību, kas apvienota ar vispārēju nosaukumu "atmosfēras elektrība".
Šis ir viens no visizplatītākajiem modeļiem mūsdienu zinātnes pasaulē. To sauc par Vilsona teoriju. Ir arī padomju zinātnieka Frenkela izvirzītā hipotēze, saskaņā ar kuru jonosfēra nespēlē nekādu nozīmīgu lomu elektriskā lauka veidošanā. Viņš uzskatīja, ka tas veidojas galvenokārt zemes virsmas un mākoņu mijiedarbības, kā arī to polarizācijas dēļ.
Natural Generator
Bet, ja atgriežamies pie kondensatora modeļa, kas sniedz ne tikai labu analoģiju, bet arī teorētiskas iespējas praktiski brīvas enerģijas avotu radīšanai, tad atmosfēras elektrība izpaužas tikai dažos pamatprocesos. Apsveriet vissvarīgāko.
Pirmkārt, tās ir tā sauktās noplūdes strāvas. Kas attiecas uz parasto kondensatoru, tās ir parazitāras parādības, kas samazina tā efektivitāti lādiņa uzglabāšanā. Atmosfēras gadījumā tās ir konvekcijas strāvas, kas veidojas, piemēram, inviesuļvētru un pērkona negaisu zonas. To spēks sasniedz desmitiem tūkstošu ampēru, un, neskatoties uz to, potenciālā starpība starp zemes virsmu un jonosfēru nekādas būtiskas izmaiņas nepiedzīvo, protams, saglabājot lauka intensitāti. Elektriskajā ķēdē, kurā ir kondensators, tas ir iespējams tikai ar papildu ģeneratoru.
Sekojot loģikai, ir vērts pieņemt, ka kaut kas līdzīgs ir Zemes atmosfēras gadījumā. Patiešām, ir tāds enerģijas avots. Tas ir mūsu planētas magnētiskais lauks, kas, griežoties kopā ar to saules starojuma plūsmā, rada jaudīgu ģeneratoru. Starp citu, ir doma izmantot tās enerģiju, izmantojot tikai atmosfēras elektrību. Brīvā enerģija ir neticami spēcīgs stimuls zinātniskās domas attīstībai visās cilvēka darbības jomās. Šī tendence nav apieta atmosfēras parādību fiziku. Bet vairāk par to vēlāk.
Pērkona negaiss
Nākamais interesantais un svarīgais process atmosfērā ir dzirksteļgāzu izplūdes, kas pavada pērkona negaisu. Tāpat kā konvekcijas strāvas, tā ir parazitāra parādība no starp Zemes virsmu un jonosfēru izveidotā elektriskā lauka kondensatora modeļa viedokļa. Un tas diemžēl nebūt neaprobežojas tikai ar izplūdes parādību negatīvo ietekmi atmosfērā. Šeit jāatzīmē zibens bīstamība antropogēnas darbības sauszemes objektiem, tostarp trieciena un termiskās pārslodzes postošā ietekme, kas pavada šo milzīgo parādību.
Rāvējslēdzēji
Pierādījums par zibens elektrisko raksturu, tik eleganti pierādītsFranklins, veido vienu loģisku jautājumu. Visticamāk, viņš satrauca pat dibinātāja laikabiedrus. Tātad, vai atmosfēras elektrība ir augsts vai zems spriegums?
Pēc jau minētā kondensatora modeļa potenciāla starpībai starp plāksnēm planētas mērogā jāveido elektriskais lauks. Patiešām, negatīvi lādētā Zemes virsma, no vienas puses, un pozitīvi lādētā jonosfēra veido augstas intensitātes lauku. Elektriskās parādības mākoņos rada milzīgus kosmosa lādiņus tieši atmosfēras lejas daļā. Tāpēc lauka stiprums uz zemes virsmas ir daudz lielāks nekā, piemēram, 10 km augstumā.
Acīmredzot šādas intensitātes elektriskais lauks rada spēcīgas izlādes strāvas, ko nepieredzējis novērotājs var redzēt parastā pērkona negaisa laikā vidējos platuma grādos. Tāpēc spriegums izlādes kanālā ir augsts.
Sv. Elmo gaismas
Papildus dzirkstelei atmosfērā ir arī korona izlāde, kas vēsturiskās tradīcijas dēļ tiek dēvēta par Svētā Elmo ugunsgrēkiem. Tas izskatās kā otas vai gaismas stari augstu objektu galos, piemēram, kuģu mastos, torņos utt. Turklāt šo parādību var novērot tikai tumsā. St. Elmo spuldžu parādīšanās iemesls ir apkārtējās vides elektriskā lauka intensitātes palielināšanās, piemēram, tuvojoties pērkona negaisam, vētrai, sniegputenim utt.
Tāda izlāde var būtdiezgan viegli dabūt mājās. Patiešām, atmosfēras elektrība, ko dari pats, ir ļoti vienkārša lieta. Piemēram, varat novilkt sintētisko džemperi un sākt nest tam adatu. No noteikta attāluma tās galā parādīsies izlāde, ko var skaidri novērot pilnīgā tumsā.
Fireball
Cita pērkona negaisa izpausme ir gāzes izlāde, kas parasti ir sfēriska. Runa ir par lodveida zibeni, kas ir unikāla un ļoti reta dabas parādība. Zinātnieki joprojām nevar vienoties par adekvātu šīs parādības pastāvēšanas teorētisko pamatojumu. Un līdz 2012. gadam vispār nebija dokumentālu pierādījumu par lodveida zibens realitāti. Lai kā arī būtu, šis ir vēl viens Zemes atmosfēras noslēpums, ar kuru zinātnieki joprojām cīnās.
Vides faktors
Iepriekš jau tika teikts par zibens ietekmi uz dažāda veida cilvēka darbībām. Atmosfēras elektrība kā vides faktors ir ļoti svarīgs punkts, kas arī būtu jāapspriež. No cilvēka attīstības viedokļa no dažādiem resursiem, ko viņam nodrošina planēta Zeme, gaisa vide dod viņam iespēju saglabāt kā sugas eksistenci.
Elektriskā lauka klātbūtne atmosfērā rada daudzas nepatīkamas sekas cilvēka darbībai. Dažas no tām ir diezgan nekaitīgas, taču daudzas izpausmes liek labākajiem inženieru prātiem izdomāt efektīvus veidus, kā nomierināt milzīgos spēkus.daba.
Dzīvības drošība
Atmosfēras elektrība un aizsardzība no tās ir svarīgākais jautājums, par kuru būtu jārunā ekoloģijas kontekstā. Protams, visbīstamākās ir visspēcīgākās dzirksteļu izlādes, piemēram, zibens. Un tas attiecas ne tikai uz to sauszemes šķirnēm. Mākoņu iekšējais zibens rada zināmus draudus civilajai un militārajai aviācijai. Tā vai citādi visas izplūdes atmosfēras parādības ir pakļautas rūpīgai novērošanai un iespējamo bojājumu novēršanai. To veic īpaši inženiertehniskie dienesti tajā pašā aviācijā, kuģu būvē vai ēku, spēkstaciju uc zibensaizsardzībā.
Bezmaksas enerģija
Beidzot atgriezīsimies pie jautājuma par praktiski bezmaksas enerģiju, ko var nodrošināt atmosfēras elektrība. Tesla, slavenais zibens meistars, veica milzīgu pētījumu apjomu, lai šo dabas parādību liktu lietā. Viņa darbs nebija veltīgs. Mūsdienu inženieri patentē dažādas enerģijas ražošanas metodes, pateicoties tam, ka zemes virsmas tuvumā ir spēcīgs elektriskais lauks.
Spilgts piemērs ir ķēde ar vertikāli uzstādītu iezemētu vadu, kura augšējo un apakšējo galu starpā rodas potenciāla atšķirība viena un tā paša lauka klātbūtnes dēļ. Šo tā radīto enerģiju var iegūt, veidojot kontrolētu koronaizlādi vadītāja augšējā galā. Rezultātā vadā var uzturēt strāvu, kas nozīmē, ka ir droši pieslēgt tam patērētāju.
Tādējādi atmosfēras elektrība, neskatoties uz esošajiem draudiem normālai antropogēnai darbībai, arī paver lielas izredzes nodrošināt visu cilvēci ar praktiski bezmaksas enerģiju.
