Журнал «Вокруг Света» №12 за 2009 год - Вокруг Света

Глобальная электрическая цепь

И вот пришла очередь главного героя — земного атмосферного электричества. Через все эти спрайты, джеты, гало в ионосферу течет электрический ток. Но куда он девается дальше? Еще со школы мы знаем, что устойчивый ток возможен только в замкнутом контуре. Ионосферу и землю можно считать проводниками. В одном случае проводимость обеспечивают свободные электроны, возникающие под действием жесткого солнечного излучения, в другом ионы соленой воды, пропитывающей землю. При разрядах ток может протекать и по воздуху, но ведь в остальное время воздух — хороший изолятор. Прямо в чистом поле в любую погоду стоят ничем не защищенные высоковольтные линии электропередач напряжением до 500 000 вольт. Провода находятся на расстоянии всего нескольких метров друг от друга, но не сгорают от короткого замыкания через воздух. Да, воздух — изолятор, но все же не идеальный. Ничтожное количество свободных зарядов в воздухе есть, и этого достаточно, чтобы замкнуть глобальную электрическую цепь (ГЭЦ). ГЭЦ хорошо известна специалистам, но широкой публике пока малознакома. О ней, к сожалению, не говорят на уроках географии, и она не представлена в популярных географических атласах, где прочно обосновались другие глобальные циркуляционные процессы — от магматических до воздушных.

Модель ГЭЦ предложил еще в 1925 году тот самый Чарлз Вильсон, который через 30 лет просил обратить внимание на высотные разряды над облаками (видимо, на спрайты), а его не послушали. Вильсон рассматривал поверхность Земли и ее ионосферу как две огромные обкладки сферического конденсатора. Разность потенциалов между ними составляет 300—400 киловольт. Под действием этого напряжения к земле по воздуху постоянно течет электрический ток силой около 1000 ампер. Эта цифра может показаться внушительной, но ток распределен по всей поверхности планеты, так что на каждый квадратный километр воды или суши приходится всего пара микроампер, а по мощности вся атмосферная цепь сравнима с одной турбиной крупной гидроэлектростанции. Вот почему совершенно несостоятельна идея (восходящая еще к Николе Тесле) использовать атмосферную разность потенциалов для получения энергии.

На этих редчайших кадрах зарегистрировано возникновение и угасание гигантского джета, вспыхнувшего в 300 километрах от места наблюдения. Фото: STEVEN CUMMER/DUCE UNIVERSITY 

Слабость атмосферного тока — прямое следствие низкой проводимости воздуха. Но даже столь небольшой в планетарном масштабе ток разрядил бы глобальный атмосферный конденсатор всего за восемь минут, если бы тот постоянно не подзаряжался. Электродвижущей силой, «пламенным мотором», который заряжает ионосферу положительно, а землю — отрицательно, служат грозы. Внутри грозового облака разность потенциалов гораздо выше, чем между ионосферой и землей. Создается она за счет разделения зарядов в теплых и влажных восходящих потоках, которые возникают в атмосфере над нагретой Солнцем земной поверхностью. По еще не вполне ясным причинам самые мелкие водяные капли и ледяные кристаллики заряжаются положительно, а более крупные — отрицательно. Восходящие потоки легко выносят мелкие положительно заряженные частицы на большую высоту, а крупные, проваливаясь под действием своей тяжести, в основном остаются внизу. Разность потенциалов между заряженными областями внутри электризованных облаков может достигать миллионов вольт, а напряженность поля — 2000 В/см. Словно перезаряжаемые Солнцем батарейки, облака питают всю глобальную электрическую цепь. Бьющие из подошвы облака молнии, как правило, несут к земле отрицательный заряд, а сверху положительный стекает  в ионосферу, поддерживая разность потенциалов в глобальном атмосферном конденсаторе.

Прямо сейчас над планетой гремит 1500 гроз, каждые сутки небо прочерчивают 4 миллиона молний, ежесекундно — 50. Из космоса хорошо видно, как пульсирует сердце глобальной электрической цепи. Но молнии — это лишь самые заметные проявления ГЭЦ. Они подобны искрящему контакту в розетке, который трещит и вспыхивает, тогда как по проводам электричество течет незаметно. Токи, идущие в ионосферу от заряженных облаков (причем даже не только грозовых, но и от слоистых), сами по себе обычно не порождают зрелищных эффектов, но иногда, под влиянием особенно мощных молний, эта часть ГЭЦ ненадолго визуализируется.

При разряде молнии во все стороны от нее распространяется сильное возмущение электрического поля. В нижних слоях атмосферы, где нет свободных электронов, эта волна не производит никаких эффектов. На высотах более 50 километров немногочисленные имеющиеся в воздухе свободные электроны начинают разгоняться под воздействием импульса электрического поля.

Но плотность воздуха все еще слишком велика, и электроны сталкиваются с атомами, не успевая набрать заметной скорости. Лишь на высотах около 70 километров длина свободного пробега, а с ней и энергия электронов увеличивается настолько, чтобы при столкновениях возбуждать и даже ионизировать атомы и молекулы, отрывая от них новые электроны. Те, в свою очередь, тоже разгоняются, запуская лавинообразный процесс. Волна ионизации движется к земле, проникая во все более плотные слои атмосферы. Ток с нарастанием числа свободных электронов резко усиливается, возбужденных атомов и молекул становится все больше, и вот мы уже видим свечение высотного разряда. Так молнии в нижних слоях атмосферы на короткое время «высвечивают» (и усиливают) токи в ее верхних слоях.

За несколько десятков секунд экспозиции поверх проступающих на сумеречном небе звезд вспыхнуло около десятка спрайтов. Грозовой фронт, над которым они поднимаются, скрыт за горизонтом. Фото: OSCAR VAN DER VELDE 

«На Венере, ах, на Венере...»

О молниях на ближайшей к нам планете заговорили после того, как разные космические аппараты зафиксировали характерное радиоизлучение. Дважды на Венере фиксировались оптические вспышки: один раз с борта станции «Венера-9», другой — с наземного телескопа. Однако станция «Кассини», снабженная высокочувствительным детектором молний, пролетая мимо Венеры, ничего подобного не зарегистрировала. Вероятно, молнии на Венере бьют не так часто, как на Земле. Ученые, считающие, что молний на Венере нет, ссылаются на низкую плотность капель в ее облаках и отсутствие мощных вертикальных потоков, которые приводят к земным грозам. Но облака несутся вокруг Венеры со страшной скоростью — 100—140 м/с, огибая ее всего за четыре земных дня. При таком быстром движение газовых потоков просто обязательно должны возникать завихрения, приводящие к электризации. Кроме того, анализ атмосферы планеты новейшими инфракрасными спектрографами выявил на высотах ниже 60 километров заметные концентрации окислов азота. Их присутствие не объяснить космическими лучами, солнечной радиацией или радиоактивностью — из-за огромной плотности атмосферы ни сверху, ни снизу ионизирующие излучения не могут дойти до облаков. Только электрические разряды могли бы объяснить присутствие окислов азота на этих высотах. Как и на Юпитере, венерианские молнии, если они существуют, бьют между облаками — при огромном атмосферном давлении до поверхности им не дойти. Весьма вероятно, что на Венере заряженные области невелики и разряды между ними не создают мощных оптических вспышек, как на Юпитере. В любом случае существует если не загадка молний на Венере, то уж точно загадка радиоизлучения, которое было обнаружено несколькими космическими аппаратами. Заметная электрическая деятельность протекает и на Марсе. За электризацию и возможные разряды в атмосфере планеты отвечают, скорее всего, активные пылевые бури, которые и обеспечивают на Марсе высокую концентрацию заряженных частиц. Многие считают, что если уж не жизнь, то электрические разряды на Марсе обязательно найдут.

Под влиянием галактики

Если грозы заряжают глобальный конденсатор, то разряжается он в солнечные ясные дни. Тихое  «электричество хорошей погоды» несет заряд от ионосферы к земле. Сила тока тем больше, чем выше проводимость среды, по которой он течет. У земной поверхности проводимость воздуха крайне мала: в кубическом сантиметре около нас содержится лишь 1000 ионов — меньше одного на миллион миллиардов нейтральных атомов. Эту ионизацию производят радиоактивные элементы, в частности радон. Но стоит подняться на несколько сотен метров, и проводимость начинает расти в геометрической прогрессии. Причина тому — наша Галактика, Млечный Путь . Вплоть до высот 50—60 километров основная причина ионизации атмосферы — галактические космические лучи. Именно они, выбивая из атомов электроны, позволяют надежно замкнуть ГЭЦ. Выше 50 километров власть в свои руки берет Солнце: основные ионизирующие факторы здесь — вакуумный ультрафиолет и рентгеновское излучение светила. На высоте 80 километров проводимость в 10 миллиардов раз выше, чем в приземном слое.