В непосредственной близости от земной поверхности имеем
Е~ 100 В/м; на высоте 500 м имеем Е~ 50 В/м; на высоте 3 км имеем Е~ 20 В/м; на высоте 10 км имеем Е~3 В/м
Физический портрет атмосферы не исчерпывается описанием ее динамических (механических) и тепловых свойств. В воздушном океане, на дне которого мы живем, существует, помимо всего прочего, электрическое поле.
Переходя к рассмотрению электрического поля и электрических явлений в атмосфере, дополним перечисленные выше локальные физические характеристики атмосферы еще двумя (тоже локальными):
- напряженностью Е электрического поля атмосферы (она измеряется в единицах В/м);
- удельной электрической проводимостью λ атмосферы (измеряется в единицах Ом-1 • м-1) и является величиной, обратной удельному электрическому сопротивлению.
Проще всего рассматривать электрическое поле атмосферы в так называемых зонах хорошей погоды — там, где нет осадков и даже облачности.
Напряженность электрического поля у поверхности Земли равна там приблизительно 100 В/м (точнее говоря,
130 В/м). Она направлена вертикально вниз и, значит, земная поверхность заряжена отрицательно. Суммарный отрицательный заряд, распределенный по земной поверхности, составляет 3—5 e5 Кл.
На риcунке представлено экспериментально найденное изменение напряженности поля Е с высотой h в зоне хорошей погоды.
В непосредственной близости от земной поверхности имеем
Е~ 100 В/м; на высоте 500 м имеем Е~ 50 В/м; на высоте 3 км имеем Е~ 20 В/м; на высоте 10 км имеем Е~3 В/м
Поскольку каждая точка атмосферы характеризуется некоторым вектором напряженности поля Е, направленным вертикально вниз, и некоторым значением удельной электрической проводимости λ, то через атмосферу должен течь электрический ток (ток проводимости) плотностью j=λЕ.
Плотность тока j, как и напряженность поля E, является локальной векторной характеристикой атмосферы. Ее направление совпадает в данной точке поля с направлением вектора Е. По модулю она равна электрическому заряду, проходящему за единицу времени через единичную площадку, содержащую точку наблюдения и ориентированную перпендикулярно к направлению движения заряженных частиц; измеряется в А/м2.
Соотношение j=λЕ — это знаменитый закон Ома для участка цепи, представленный в дифференциальной форме, т. е.
относящийся к данной точке поля.
Процесс протекания тока через газы называют электрическим разрядом в газах. Напомним, что в зависимости от условий осуществления разряда различают несамостоятельный и самостоятельный разряды.
Несамостоятельный разряд — это разряд, при котором электрическая проводимость газа все время поддерживается ионизацией с помощью внешнего источника. Именно с таким разрядом мы имеем дело в случае атмосферы в зоне хорошей погоды. При этом внешним источником, поддерживающим ионизацию воздушной среды, являются, как уже отмечалось, космические лучи, солнечные лучи, радиоактивные излучения.
Самостоятельный разряд — это разряд, при котором проводимость газа обеспечивается самим электрическим полем без какого- либо внешнего воздействия. Основным механизмом ионизации газа являются в данном случае соударения с его атомами и молекулами электронов, которые приобрели значительную скорость в электрическом поле.
Различают четыре основных типа самостоятельного разряда:
- тлеющий,
- коронный,
- искровой,
- дуговой.
В атмосфере в зонах нарушенной погоды (в зонах значительной облачности, зонах грозовой деятельности) наблюдаются коронный и искровой самостоятельные разряды.