1
Формирование представлений учащихся о механизмах переноса зарядов в газах на примере электрических процессов в приземном слое атмосферы
Оглавление
Введение
Актуальность темы.
Исследование атмосферы важно, прежде всего, потому, что это среда непосредственной жизнедеятельности человека. Поэтому необходимо учитывать и использовать физические процессы, происходящие в ней. Без досконального изучения всех свойств среды, выявления закономерностей протекающих в ней процессов невозможно решение проблемы рационального использования природных ресурсов.
Электрические процессы в нижней атмосфере являются неотъемлемой частью всех физических процессов в ней. Несмотря на более чем 200-летнюю историю изучения, атмосферное электричество продолжает привлекать внимание исследователей и практиков.
Природа атмосферно-электрических явлений во многом ещё не ясна, и ее изучение имеет познавательную ценность. Проблема происхождения электрического поля в атмосфере, установление причин вариаций электрического поля различных пространственно-временных масштабов является одной из наиболее актуальных проблем атмосферного электричества. Необходимость понимания процессов формирования электрической структуры приземного слоя атмосферы обусловлена тем, что в этом слое осуществляется электрический контакт атмосферы с поверхностью одного из электродов глобальной электрической цепи (ГЭЦ): контакт нижнего слоя атмосферы с земной поверхностью.
Современный интерес к изучению атмосферно-электрических характеристик вызван как фундаментальными проблемами физики Земли, так и практическими задачами, учитывающими параметры среды, в которой эксплуатируются технические устройства: летательные аппараты, средства связи, объекты энергетики и т.д. Накопленные результаты наблюдений и исследований свидетельствуют о значительной региональной изменчивости всех атмосферно-электрических характеристик и региональных особенностях протекания электрических процессов в атмосфере. Знание типичных особенностей атмосферного электричества в разных регионах Земли должно способствовать более успешному решению как фундаментальных научных проблем глобального характера, так и частных прикладных задач, связанных с проявлениями электричества атмосферы.
Атмосферно-электрические данные и методы необходимы в разных областях науки и техники: в физике нижней атмосферы, метеорологии, вулканологии, экологии и т.д.
Знания о физических процессах в окружающей среде крайне важны при подготовке учителей физики, которым предстоит в условиях научно-технического прогресса работать над формированием у учащихся адекватной физической картины мира, выполнять задачи экологического воспитания и расширения кругозора. Как уже отмечалось, атмосфера является средой непосредственной жизнедеятельности людей, поэтому значение познания её свойств невозможно переоценить. Поскольку в современном мире крайне важным представляется экологическое образование и воспитание молодежи, то преподавание физики дает в этом отношении множество возможностей, позволяя иллюстрировать изучаемые законы примерами проявления их в окружающей среде, в частности - в атмосфере.
На кафедре физики АПО ЮФУ в настоящее время разрабатывается дисциплина по выбору «Проблемы атмосферного электричества», целями освоения которой является формирование представлений о том, как проявляются законы электродинамики в природных процессах, и приобретение знаний об электрических свойствах атмосферы.
Освоение данной дисциплины позволит магистрантам познакомиться с современными представлениями об атмосферном электричестве, что поможет им расширить научный кругозор и повысить экологическую грамотность.
Кроме того, использование геофизических знаний магистрами на уроках физики в школе принесет несомненную пользу, позволяя конкретизировать учебный материал, способствуя более глубокому его усвоению, предупреждению формализма в знаниях учащихся по физике.
Целями данной работы являются:
- исследование высотных профилей электрического поля в приземном слое атмосферы;
- разработка методических рекомендаций по обсуждению электрических явлений в атмосфере с магистрантами, обучающимися по программе «Физическое образование»;
- создание электронного пособия для преподавания магистрантам дисциплины по выбору «Проблемы атмосферного электричества».
В соответствии с вышеизложенными целями были поставлены следующие задачи:
1. Знакомство с современными представлениями об электричестве земной атмосферы и методами атмосферно-электрических измерений.
2. Проведение натурных измерений атмосферно-электрических и метеорологических характеристик в приземном слое.
3. Обработка и анализ экспериментальных данных, их интерпретация.
4. Адаптация научного материала по атмосферному электричеству для разработки курса «Проблемы атмосферного электричества» в магистратуре.
5. Разработка структуры электронного пособия.
6. Размещение информационного контента об атмосферном электричестве в разделах пособия.
Научно-практическая значимость. Проведено исследование высотных профилей электрического поля в приземном слое атмосферы на базе натурных измерений атмосферно-электрических и метеорологических характеристик. Разработаны методические рекомендации по обсуждению явлений атмосферного электричества с магистрантами, обучающимися по программе «Физическое образование».
Новизна работы. Получены экспериментальные высотные профили электрического поля для слоя атмосферы 0-4 метра, проведена их систематизация с учётом устойчивости атмосферы.
Разработаны методические рекомендации по обсуждению темы «Электрическое поле атмосферы» в рамках дисциплины по выбору «Проблемы атмосферного электричества» в магистерской программе «Физическое образование».
Разработано электронное пособие по дисциплине «Проблемы атмосферного электричества» для магистерской программы «Физическое образование»
1. Формирование электрического поля в атмосфере Земли
1.1 Современные представления о глобальной электрической цепи
Атмосферное электричество играет значительную роль в единой системе, которую составляют атмосфера Земли и околоземное космическое пространство.
Уже в прошлом столетии было установлено, что в атмосфере существует электрическое поле, направление которого в большинстве случаев при нормальной погоде таково, как если бы земная поверхность была заряжена отрицательно, а атмосфера положительно.
Рис. 1. Среднегодовые кривые суточных вариаций атмосферно-электрического поля над океанами (В/м), измеренные в экспедиции Carnegie and Maud (Parkinson and Torrenson, 1931) - а), и среднегодовые кривые суточных вариаций глобальной грозовой активности согласно Whipple and Scrase (1936) - б) [1].
В 20-е годы прошлого столетия было обнаружено, что поле над океанами изменяется в течение суток в соответствии с универсальным временем, одновременно в разных пунктах. Эта суточная кривая электрического поля известна в атмосферном электричестве как унитарная вариация. Экспериментально полученная идентичность суточных кривых электрического поля атмосферы над океанами (Рис.1а) и суточных вариаций глобальной грозовой активности (Рис.1б) подтверждает гипотезу о том, что грозы являются электрическим генератором в глобальной цепи [1].
В работе Мареева [2] отмечено, что электричество хорошей погоды неразрывно связано с грозовым электричеством и составляет часть распределенного токового контура - глобальной электрической цепи. Физической причиной формирования ГЭЦ в атмосфере служит резкий рост проводимости воздуха с высотой. Вблизи поверхности Земли проводимость воздуха очень мала и составляет (2?3)·10-14 См/м, что соответствует концентрации легких ионов около 103 см-3. С ростом высоты благодаря увеличению уровня ионизации, определяемого до 40 км галактическими космическими лучами, а выше - ультрафиолетовым и рентгеновским излучением Солнца, проводимость растет почти экспоненциально с характерным масштабом 6 км. Уже на высоте D-слоя ионосферы (около 80 км) она увеличивается более чем на 10 порядков по сравнению с тропосферой. Проводимость земли в поверхностном слое (и тем более воды в океане) тоже превышает проводимость пограничного слоя атмосферы на 10ё12 порядков. Таким образом, постоянно функционирующие грозовые генераторы оказываются сосредоточенными в достаточно узком слабо проводящем слое между земной поверхностью и ионосферой.
Мареев отмечает, что при упрощенном описании ГЭЦ земная поверхность и нижняя граница ионосферы (около 60-70 км) рассматриваются как обкладки гигантского сферического конденсатора, который разряжается в областях хорошей погоды и заряжается в областях грозовой активности. При этом квазистационарные токи зарядки не замыкаются полностью на землю вблизи грозовых облаков, а частично "затягиваются" в вышележащую область высокой проводимости и растекаются по ионосфере. Считается, что именно квазистационарные токи в первую очередь "несут ответственность" за поддержание разности потенциалов ~350 кВ между ионосферой и землей. Так как верхняя часть большинства грозовых облаков имеет положительный заряд, потенциал ионосферы также оказывается положительным, и в областях хорошей погоды электрическое поле направлено вниз, обусловливая тем самым токи проводимости, замыкающие ГЭЦ. Если бы действие генераторов прекратилось, разность потенциалов между поверхностью Земли и ионосферой исчезла бы за время около 8 мин. Наряду с грозовыми генераторами, потенциально важным источником атмосферного электричества может служить планетарный электрический генератор, обусловленный нетвердотельным характером вращения плазменной оболочки планеты [2]. атмосфера электрический научный
Одну из первых моделей, объясняющую существование синхронных изменений электрического поля атмосферы, названные глобальной унитарной вариацией, предложил в начале 20-го века Wilson C.T.R. [3]. В соответствии с этой моделью электрическое поле создаётся отрицательным зарядом земной поверхности и положительным зарядом проводящих слоев верхней атмосферы (ионосферы), играющих роль обкладок сферического конденсатора. Благодаря наличию электрической проводимости воздуха, в атмосфере течет ток проводимости, стремящийся разрядить конденсатор.
Плотность тока проводимости принимается неизменной по высоте и равной
(1)
Для поддержания электрического заряда на обкладках конденсатора необходим источник тока, который бы компенсировал потерю заряда, вызванную электропроводностью атмосферы. Таким источником в модели Wilson [3] предлагается считать грозовые облака, благодаря которым в областях, занятых грозами, где электрическое поле имеет обратное направление, возникает ток зарядки .
Гипотеза Wilson подтверждается данными о поляризации грозовых облаков, а также синхронностью суточного хода числа гроз на земном шаре и суточной унитарной вариации напряженности электрического поля (Рис. 1). И хотя более поздние экспериментальные исследования показали, что электросфера не изопотенциальна, и годовой ход напряженности электрического поля находится в противофазе с годовым ходом среднего числа гроз на Земле, в гипотезе сферического конденсатора Wilson впервые подчеркнул роль грозовых процессов для глобальных проявлений атмосферного электричества.
Рис. 2. Схематическое изображение глобальной электрической цепи [2].
В работе Rycroft et al. [4] указывается на тот факт, что в соответствии с классической картиной атмосферного электричества совокупность гроз, действуя одновременно, заряжает ионосферу до потенциала в несколько сотен тысяч вольт по отношению к поверхности Земли.
Эта разность потенциалов обусловливает вертикальный электрический ток проводимости вниз от ионосферы на землю во всех регионах хорошей погоды земного шара.
Электрический ток проводимости хорошей погоды меняется в зависимости от разности потенциалов ионосферы и сопротивления столба атмосферы между ионосферой и землёй.
Горизонтальные токи текут свободно вдоль поверхности хорошо проводящей Земли и в ионосфере. Ток течет от грозового облака вверх к ионосфере, а также от земли к грозовому генератору, замыкая цепь.
Одну из первых моделей протекания тока в глобальной атмосферной электрической цепи предложил Kasemir H.W. К числу достоинств своей модели Kasemir H.W. относит тот факт, что части атмосферной электрической цепи, соответствующие хорошей и плохой погоде, могут рассматриваться отдельно, а затем накладываться друг на друга для получения полной картины. Кроме того, он указывает на недопустимость утверждения, что генераторами тока являются только грозы, генератор любого происхождения может быть подключен в данную схему. В своей работе Kasemir [5] оценивает глобальные атмосферно-электрические характеристики в условиях квазистатического приближения, при этом основным уравнением, описывающим процессы в глобальной цепи, является уравнение непрерывности для тока проводимости: