(2)
Kasemir H.W. рассматривает ток при хорошей погоде для двух слоев: в слое перемешивания проводимость остается постоянной по высоте, выше этого слоя она изменяется экспоненциально. Приводятся отдельные решения для дневного и ночного распределения проводимости атмосферы и напряженности электрического поля по высоте [5].
Е.А. Мареев [1] указывает на то, что для понимания работы ГЭЦ нужны адекватные модели грозовых генераторов, дающие возможность рассчитывать квазистационарные и импульсные токи, а также вклад генераторов в энергетику глобальной цепи. Недавно в ИПФ был предложен новый метод моделирования распределенных квазистационарных источников, позволяющий учесть особенности строения реальных грозовых систем и оценить их полный квазистационарный ток, текущий в ионосферу. Результаты расчетов показали, в частности, что вклад мезомасштабных конвективных систем в глобальную электрическую цепь может существенно превосходить вклад одиночных гроз, составляя десятки ампер. Несмотря на значительное возмущение электрического потенциала в области конвекции, достигающее сотен мегавольт, основной вклад в полный вертикальный ток и структура полей и токов в окрестности мезомасштабных конвективных систем определяются областью стратификации.
Таким образом, современные исследования глобальной электрической цепи ориентированы на изучение и выявление совокупности генераторов атмосферного электричества, а также определение степени влияния различных физических процессов в магнитосфере, ионосфере, в приземном слое атмосферы и земной коре на атмосферно - электрические характеристики.
1.2 Электрическое поле вблизи земной поверхности
По определению Имянитова [6], приземный слой атмосферы - это часть пограничного слоя атмосферы от земной поверхности до высоты несколько десятков метров. Толщина этого слоя изменяется в достаточно широких пределах в зависимости от величины скорости ветра, термической стратификации атмосферы и шероховатости земной поверхности. Вследствие непосредственного контакта приземного слоя атмосферы с земной поверхностью он характеризуется наличием поверхностных источников тепла, радиоактивных излучений и различных примесей: радиоактивных эманаций, аэрозольных частиц, водяного пара и т.д.
С другой стороны, твердотельная поверхность адсорбирует ионы, при определенных условиях на ней происходит конденсация пара (выпадение росы), шероховатость поверхности влияет на турбулентность атмосферных потоков. Все это сказывается на вертикальных профилях атмосферных параметров вблизи земли. Из-за близости к границе раздела твердотельной и газообразной сред в приземном слое формируются особенно большие вертикальные градиенты параметров атмосферы, следствием чего являются значительные турбулентные потоки тепла, влаги, количества движения, радиоактивных эманаций, электрических зарядов и т.п. Таким образом, приземный слой атмосферы активно обменивается с земной поверхностью различными свойствами [6].
Имянитов указывает на то, что, электрическое поле в атмосфере проявляется как результат действия электрических зарядов, имеющихся в ней и на поверхности земли. Величиной и направлением электрического поля определяются перемещение электри-ческих зарядов, коронирование остроконечных предметов (например огни Эльма), появление и развитие молний, протекание некоторых микрофизических процессов в об-лаках [6].
Электрические поля в атмосфере могут иметь раз-личные направления и меняться от нуля до миллионов В/м.
Если осреднить измерения напряженности электриче-ского поля в атмосфере в какой-то точке у поверхности земли за значительный промежуток времени, то средняя напряженность поля в этой точке будет порядка 120--150 В/м. Поле это направлено так, как если бы земля была заряжена отрицательно, а атмосфера положительно.
Поле, направленное к земле, принято считать положи-тельным, если речь идёт о напряжённости. Фактически в этой ситуации вектор напряжённости, направленный к земле, даёт отрицательную проекцию на ось, направленную вверх. Работать. с отрицательными числами менее удобно, чем с положительными. Поэтому иногда поле определяют величиной градиента электрического потенциала. Так как потенциал в ненарушенном поле растет с высотой (т. е. с удалением от земли), то вектор градиента потен-циала, который численно равен напряженности электрического поля, но имеет обратный знак, будет давать положительную проекцию на выбранную ось.
По современным представлениям атмосферно-электрическое поле вблизи земной поверхности является результатом суперпозиции полей, связанных с системами зарядов и токов различного происхождения и различного масштаба.
В атмосферном электричестве чаще всего считается, что поле вблизи земли создается глобальной системой зарядов и локальными зарядами меньших масштабов. Потенциал электросферы (сферы, выше которой потенциал перестает изменяться с высотой в силу высокой проводимости верхней атмосферы) положителен по отношению к потенциалу земной поверхности и составляет 350-400 кВ. В ненарушенных условиях электрический потенциал в атмосфере растет с высотой, так что вектор его градиента направлен вверх.
Электрическое поле, как известно, характеризуется напряженностью. Напряженность является векторной величиной и в любой точке направлена по касательной к силовой линии поля, проходящей через эту точку. Численно напряженность электрического поля равна градиенту электрического потенциала, т.е. изменению потенциала на единицу длины силовой линии.
Градиент потенциала также является векторной величиной, причем по направлению противоположен напряженности.
(3)
Если земная поверхность плоская без выступающих предметов, то в этом месте электрическое поле можно считать однородным, т.е. напряженность поля во всех точках постоянна по величине и направлению; силовые линии представляют собой параллельные прямые, направленные вертикально к поверхности земли.
Во времени градиент потенциала претерпевает как неправильные колебания, вызванные прохождением вблизи точки наблюдения объемных зарядов, так и регулярные периодические колебания, связанные с различными солнечными и земными циклами.
Градиент потенциала обнаруживает годовой ход, который зависит от местных условий и для разных пунктов в значительной мере различен. Для большинства точек земного шара наибольшие значения наблюдаются в те месяцы, когда Земля наиболее близка к Солнцу, и наименьшие, когда она наиболее от него удалена. В частности, для северного полушария максимум приходится на зимние, а минимум - на летние месяцы.
При выборе положительного направления вертикальной оси традиционно снизу вверх проекция градиента потенциала положительна.
Таким образом, проекция вектора напряженности атмосферного поля имеет в ненарушенных условиях отрицательные значения, поскольку всегда
(4)
Присутствие в атмосфере объемных зарядов обусловливает пространственное изменение градиента потенциала в соответствии с известным уравнением Пуассона:
(5)
Здесь - градиент электрического потенциала, - плотность объемного заряда, - диэлектрическая проницаемость вакуума.
В случае горизонтальной однородности Очевидно, что при положительном объемном заряде значения градиента потенциала вблизи земли будут уменьшаться с высотой, при отрицательном заряде -увеличиваться. Локальные вариации градиента потенциала, которые в совокупности с глобальными дают наблюдаемые изменения поля, связаны с объемными зарядами [7].
С учетом того, что в атмосфере проекция вектора градиента потенциала глобального электрического поля на вертикальную ось, направленную вверх, как известно, положительна, становится, очевидно, что уменьшению градиента по высоте в соответствии с уравнением Пуассона (5) следует сопоставить положительный объемный заряд в слое, а увеличению - отрицательный.
В работе Петровой [8] говорится что, поиск глобальной унитарной вариации электрического поля Земли и причин ее устойчивости - одна из основных проблем современного атмосферного электричества. Существование глобальных вариаций электрического поля атмосферы связывают с действием глобальных генераторов тока в системе земля-атмосфера в отличие от локальных генераторов, связанных с местными факторами и действующих в приземном слое атмосферы.
Наличие локальных генераторов не позволяет применять к атмосфере закон Ома. Для квазистатического случая и при условии, что перенос заряда осуществляется только токами проводимости, можно записать [10]:
(6)
где - плотность тока проводимости, - потенциал электросферы, и - напряженность и электропроводность на уровне земли, - сопротивление столба атмосферы от земли до электросферы с поперечным сечением 1 м2. В электрической модели атмосферы представляется общим сопротивлением вертикальной цепи последовательно соединенных резисторов с удельными сопротивлениями . Тогда:
(7)
Очевидно, что потенциал электросферы можно определить как . Необходимо, таким образом, знать величину и значения на разных уровнях.
Чалмерс [9] указывает, что использование метода сопротивления столба воздуха возможно при квазистатических условиях лишь в том случае, если вертикальный ток является только током проводимости. Если же имеются конвективные или какие-либо другие токи, то следует использовать формулу
(8)
То, что эти два метода не всегда приводят к одинаковым результатам из-за существования конвективных токов, показали работы и других исследователей [9].
Электрические и метеорологические параметры в приземном слое атмосферы тесно связны друг с другом, поэтому неоднократно предлагалось использование атмосферно-электрических характеристик в качестве индексов физического состояния атмосферы, использование их в прогнозе метеоусловий. Кроме того, по многочисленным данным континентальных станций можно отметить обусловленность поведения электропроводности и объёмного заряда локальными метеоусловиями.
1.3 Ионизационные процессы в приземном слое атмосферы
В конце XIX столетия было обнаружено, что воздух может проводить электричество. На основании различных исследований было также выявлено, что своей проводимостью воздух обязан наличию в нем заряженных частиц - ионов. Процесс, который приводит к образованию ионов, называется ионизацией.
Образованию ионов в атмосфере способствуют различные процессы. Основной величиной, характеризующей ионизационное состояние атмосферы, является число ионов каждого рода, содержащихся в единице объёма (1 см3). Но число ионов n какой-либо подвижности, содержащихся в единице объема в любой момент времени, зависит, с одной стороны, от числа их, образующихся в единицу времени, с другой, от числа их, уничтожающихся за то же время под действием ряда процессов.
Как указывает Тверской [10], то обстоятельство, что воздух обладает возможностью проводить электричество, было обнаружено более 150 лет тому назад. Правильное же объяснение этому явлению было дано только в конце прошлого столетия, когда Эльстер и Гейтель показали на основании ряда исследований, что атмосфера обязана своей проводимостью присутствию в ней положительно и отрицательно заряженных мельчайших частиц, получивших название ионов.
Основным процессом, обусловливающим исчезновение ионов, является воссоединение, или рекомбинация, сущность которого заключается в том, что содержащиеся в некотором объеме газа ионы противоположных знаков при встречах друг с другом взаимно нейтрализуются.
Тверской в своей работе [10] обращает внимание на следующее обстоятельство: ионы, содержащиеся в атмосфере, движутся под действием электрического поля, обычно направленного вниз, по направлению нормали к земной поверхности, причем плотность этого потока равна nuЕ, где n - концентрация ионов, u - их подвижность и Е - напряженность поля. Если плотность этого потока ионов с увеличением высоты z становится больше (возрастая от земной поверхности) и мы рассмотрим поток отрицательных ионов, направленный вверх, то через нижнюю грань куб. сантиметра, расположенного на некоторой высоте, поток ионов будет меньше, чем через верхнюю грань, так что число ионов, содержащееся внутри нашего объема, будет уменьшаться во времени в отношении (nuЕ). Это уменьшение числа отрицательных ионов вблизи земной поверхности под действием электрического поля имеет весьма существенное значение; число отрицательных ионов вблизи земной поверхности составляет примерно лишь 80% от числа положительных ионов. Этот дефицит отрицательных ионов и образование вследствие этого положительного объёмного заряда вблизи земли обусловливает проявление так называемого электродного эффекта в приземной атмосфере.
Кашлева в своей работе отмечает [11], что из всех многочисленных известных ионизаторов главнейшими для нижних слоев атмосферы являются излучения радиоактивных веществ, содержащихся в земной коре и атмосфере, а также космические лучи. Ультрафиолетовые лучи Солнца в области тех длин волн (л > 0,285 мкм), которые проникают в нижнюю стратосферу и тропосферу, никакой роли в ионизации этих слоев атмосферы не играют. Их действие может проявиться только в фотоэлектрическом эффекте, но этот эффект в естественных условиях настолько мал, что им практически можно пренебречь.