Окрім градієнта потенціалу, можна вимірювати й іншу величину — струм в атмосфері. Його густина мала: крізь кожен квадратний метр, паралельний земній поверхні, проходить близько 10-6 мка. Повітря, вочевидь, не ідеальний ізолятор; через цю провідність від неба до землі весь час тече слабкий струм, викликаний описаним нами електричним полем.
Чому атмосфера має провідність? Тому що в ній серед молекул повітря трапляються іони, наприклад, молекули кисню, часом наділені зайвим електроном, а часом позбавлені одного зі своїх. Ці іони не залишаються самотніми; завдяки своєму електричному полю вони зазвичай збирають біля себе інші молекули. Кожен іон тоді стає маленьким грудочком, який разом з іншими такими самими грудочками дрейфує в полі, повільно рухаючись угору або вниз, створюючи струм, про який ми говорили.
Звідки ж беруться іони? Спершу думали, що іони створює радіоактивність Землі. (Було відомо, що випромінювання радіоактивних речовин робить повітря провідним, іонізуючи молекули повітря.) Частинки, що виходять з атомного ядра, скажімо, β-промені, рухаються так швидко, що вони виривають електрони в атомів, залишаючи за собою доріжку з іонів. Такий погляд, звісно, передбачає, що на великих висотах іонізація мала б ставати меншою, тому що вся радіоактивність — усі сліди радію, урану, натрію тощо— міститься в земному пилу.
Щоб перевірити цю теорію, фізики піднімалися на повітряних кулях і вимірювали іонізацію (Гесс, у 1912 р.). З'ясувалося, що все відбувається якраз навпаки — іонізація на одиницю об'єму з висотою зростає! (Прилад був схожий на зображений на фіг. 9.3. Дві пластини періодично заряджалися до потенціалу V. Унаслідок провідності повітря вони повільно розряджалися; швидкість розрядки вимірювалася електрометром.) Цей незрозумілий результат був найприголомшливішим відкриттям в усій історії атмосферної електрики. Відкриття було настільки важливим, що зажадало виділення нової галузі науки — фізики космічних променів. А сама атмосферна електрика лишилася серед явищ менш дивовижних. Іонізація, вочевидь, породжувалася чимось поза Землею; пошуки цього позаземного джерела привели до відкриття космічних променів. Ми не будемо зараз говорити про них і лише скажемо, що саме вони підтримують постачання повітря іонами. Хоча іони постійно зникають, космічні частинки, вриваючись зі світового простору, раз у раз створюють нові іони.
Щоб бути точними, ми маємо зазначити, що, крім іонів, складених із молекул, бувають і інші сорти іонів. Найдрібніші грудочки ґрунту, подібно до надзвичайно тонких частинок пилу, плавають у повітрі й заряджаються. Їх іноді називають «ядрами». Скажімо, коли в морі хлюпочуть хвилі, дрібні бризки злітають у повітря. Коли така крапелька випарується, у повітрі лишається плавати маленький кристалик NaCl. Потім ці кристалики можуть притягнути до себе заряди й стати іонами; їх називають «великими іонами».
Малі іони, тобто ті, що утворюються космічними променями, найрухливіші. Через те, що вони дуже малі, вони швидко проносяться крізь повітря, зі швидкістю близько 1 см/с у полі 100 в/м, або 1 в/см. Великі й важкі іони рухаються значно повільніше. Виявляється, що якщо «ядер» багато, то вони перехоплюють заряди від малих іонів. Тоді, оскільки «великі іони» рухаються в полі дуже повільно, загальна провідність зменшується. Тому провідність повітря вельми мінлива — вона дуже чутлива до його «засміченості». Над сушею цього «сміття» набагато більше, ніж над морем, вітер здіймає із землі пил, та й людина теж усіляко забруднює повітря. Немає нічого дивного в тому, що день у день, від моменту до моменту, від одного місця до іншого провідність біля земної поверхні значно змінюється. Електричне поле в кожній точці над земною поверхнею теж змінюється, тому що струм, який тече згори вниз, у різних місцях приблизно однаковий, а зміни провідності біля земної поверхні призводять до варіацій поля.
Провідність повітря, що виникає внаслідок дрейфу іонів, також швидко зростає з висотою. Відбувається це з двох причин. По-перше, з висотою зростає іонізація повітря космічними променями. По-друге, у міру падіння густини повітря збільшується вільний пробіг іонів, так що до зіткнення їм вдається пройти далі в електричному полі. У підсумку на висоті провідність різко підскакує.
Сама густина електричного струму в повітрі дорівнює всього кільком мікромікроамперам на квадратний метр, але ж на Землі дуже багато таких квадратних метрів. Увесь електричний струм, що досягає земної поверхні, дорівнює приблизно 1800 а. Цей струм, звісно, «позитивний» — він переносить до Землі позитивний заряд. Так що виходить струм у 1800 а за напруги 400 000 в. Потужність 700 Мвт!
За такого сильного струму негативний заряд Землі мав би невдовзі зникнути. Фактично знадобилося б лише близько півгодини, щоб розрядити всю Землю. Але з моменту відкриття в атмосфері електричного поля минуло значно більше півгодини. Як же воно тримається? Чим підтримується напруга? І між чим і чим вона? На одному електроді Земля, а що на іншому? Таких запитань безліч.
Земля заряджена негативно, а потенціал у повітрі позитивний. На достатньо великій висоті провідність настільки велика, що ймовірність змін напруги по горизонталі стає рівною нулю. Повітря за того масштабу часу, про який зараз ідеться, фактично перетворюється на провідник. Це відбувається на висоті близько 50 км. Це ще не так високо, як те, що називають «іоносферою», де є дуже велика кількість іонів, утворюваних за рахунок фотоефекту від сонячних променів. Для наших цілей можна, обговорюючи властивості атмосферної електрики, вважати, що на висоті приблизно 50 км повітря стає достатньо провідним і там існує практично провідна сфера, з якої витікають донизу струми. Стан справ зображено на фіг. 9.4. Питання в тому, як там тримається позитивний заряд. Як він накачується назад? Раз він стікає на Землю, то повинен же він якось перекачуватися назад? Довгий час це було однією з головних загадок атмосферної електрики.
Будь-яка інформація з цього приводу може дати ключ до загадки або принаймні хоч щось повідомити про неї. Ось одне цікаве явище: якщо ми вимірюємо струм (а він, як ми знаємо, стійкіший, ніж градієнт потенціалу), скажімо над морем, і при ретельному дотриманні застережень, дуже акуратно все усереднюємо і позбуваємося всіляких похибок, то ми виявляємо, що все ж залишаються якісь добові варіації. Середнє за багатьма вимірюваннями над океанами має часову варіацію приблизно таку, яка показана на фіг. 9.5. Струм змінюється приблизно на ±15% і досягає найбільшого значення о 7 годині вечора за лондонським часом. Найдивовижніше тут те, що, де б ви не вимірювали струм — в Атлантичному океані, в Тихому чи в Північному Льодовитому, — його години пік бувають тоді, коли годинник у Лондоні показує 7 вечора! Всюди у всьому світі струм досягає максимуму о 19.00 за лондонським часом, а мінімуму — о 4.00 за тим самим часом. Іншими словами, струм залежить від абсолютного земного часу, а не від місцевого часу в точці спостереження. В одному відношенні це все ж не так уже й дивно; це цілком узгоджується з нашим уявленням про те, що на самому верху є дуже велика горизонтальна провідність, яка й виключає місцеві зміни різниці потенціалів між Землею і верхом. Будь-які зміни потенціалу мають бути всесвітніми, і так воно і є. Отже, тепер ми знаємо, що напруга «вгорі» зі зміною абсолютного земного часу то підіймається, то падає на 15%.
Чому атмосфера має провідність? Тому що в ній серед молекул повітря трапляються іони, наприклад, молекули кисню, часом наділені зайвим електроном, а часом позбавлені одного зі своїх. Ці іони не залишаються самотніми; завдяки своєму електричному полю вони зазвичай збирають біля себе інші молекули. Кожен іон тоді стає маленьким грудочком, який разом з іншими такими самими грудочками дрейфує в полі, повільно рухаючись угору або вниз, створюючи струм, про який ми говорили.
Звідки ж беруться іони? Спершу думали, що іони створює радіоактивність Землі. (Було відомо, що випромінювання радіоактивних речовин робить повітря провідним, іонізуючи молекули повітря.) Частинки, що виходять з атомного ядра, скажімо, β-промені, рухаються так швидко, що вони виривають електрони в атомів, залишаючи за собою доріжку з іонів. Такий погляд, звісно, передбачає, що на великих висотах іонізація мала б ставати меншою, тому що вся радіоактивність — усі сліди радію, урану, натрію тощо— міститься в земному пилу.
Щоб перевірити цю теорію, фізики піднімалися на повітряних кулях і вимірювали іонізацію (Гесс, у 1912 р.). З'ясувалося, що все відбувається якраз навпаки — іонізація на одиницю об'єму з висотою зростає! (Прилад був схожий на зображений на фіг. 9.3. Дві пластини періодично заряджалися до потенціалу V. Унаслідок провідності повітря вони повільно розряджалися; швидкість розрядки вимірювалася електрометром.) Цей незрозумілий результат був найприголомшливішим відкриттям в усій історії атмосферної електрики. Відкриття було настільки важливим, що зажадало виділення нової галузі науки — фізики космічних променів. А сама атмосферна електрика лишилася серед явищ менш дивовижних. Іонізація, вочевидь, породжувалася чимось поза Землею; пошуки цього позаземного джерела привели до відкриття космічних променів. Ми не будемо зараз говорити про них і лише скажемо, що саме вони підтримують постачання повітря іонами. Хоча іони постійно зникають, космічні частинки, вриваючись зі світового простору, раз у раз створюють нові іони.
Щоб бути точними, ми маємо зазначити, що, крім іонів, складених із молекул, бувають і інші сорти іонів. Найдрібніші грудочки ґрунту, подібно до надзвичайно тонких частинок пилу, плавають у повітрі й заряджаються. Їх іноді називають «ядрами». Скажімо, коли в морі хлюпочуть хвилі, дрібні бризки злітають у повітря. Коли така крапелька випарується, у повітрі лишається плавати маленький кристалик NaCl. Потім ці кристалики можуть притягнути до себе заряди й стати іонами; їх називають «великими іонами».Малі іони, тобто ті, що утворюються космічними променями, найрухливіші. Через те, що вони дуже малі, вони швидко проносяться крізь повітря, зі швидкістю близько 1 см/с у полі 100 в/м, або 1 в/см. Великі й важкі іони рухаються значно повільніше. Виявляється, що якщо «ядер» багато, то вони перехоплюють заряди від малих іонів. Тоді, оскільки «великі іони» рухаються в полі дуже повільно, загальна провідність зменшується. Тому провідність повітря вельми мінлива — вона дуже чутлива до його «засміченості». Над сушею цього «сміття» набагато більше, ніж над морем, вітер здіймає із землі пил, та й людина теж усіляко забруднює повітря. Немає нічого дивного в тому, що день у день, від моменту до моменту, від одного місця до іншого провідність біля земної поверхні значно змінюється. Електричне поле в кожній точці над земною поверхнею теж змінюється, тому що струм, який тече згори вниз, у різних місцях приблизно однаковий, а зміни провідності біля земної поверхні призводять до варіацій поля.
Провідність повітря, що виникає внаслідок дрейфу іонів, також швидко зростає з висотою. Відбувається це з двох причин. По-перше, з висотою зростає іонізація повітря космічними променями. По-друге, у міру падіння густини повітря збільшується вільний пробіг іонів, так що до зіткнення їм вдається пройти далі в електричному полі. У підсумку на висоті провідність різко підскакує.
Сама густина електричного струму в повітрі дорівнює всього кільком мікромікроамперам на квадратний метр, але ж на Землі дуже багато таких квадратних метрів. Увесь електричний струм, що досягає земної поверхні, дорівнює приблизно 1800 а. Цей струм, звісно, «позитивний» — він переносить до Землі позитивний заряд. Так що виходить струм у 1800 а за напруги 400 000 в. Потужність 700 Мвт!
За такого сильного струму негативний заряд Землі мав би невдовзі зникнути. Фактично знадобилося б лише близько півгодини, щоб розрядити всю Землю. Але з моменту відкриття в атмосфері електричного поля минуло значно більше півгодини. Як же воно тримається? Чим підтримується напруга? І між чим і чим вона? На одному електроді Земля, а що на іншому? Таких запитань безліч.
Земля заряджена негативно, а потенціал у повітрі позитивний. На достатньо великій висоті провідність настільки велика, що ймовірність змін напруги по горизонталі стає рівною нулю. Повітря за того масштабу часу, про який зараз ідеться, фактично перетворюється на провідник. Це відбувається на висоті близько 50 км. Це ще не так високо, як те, що називають «іоносферою», де є дуже велика кількість іонів, утворюваних за рахунок фотоефекту від сонячних променів. Для наших цілей можна, обговорюючи властивості атмосферної електрики, вважати, що на висоті приблизно 50 км повітря стає достатньо провідним і там існує практично провідна сфера, з якої витікають донизу струми. Стан справ зображено на фіг. 9.4. Питання в тому, як там тримається позитивний заряд. Як він накачується назад? Раз він стікає на Землю, то повинен же він якось перекачуватися назад? Довгий час це було однією з головних загадок атмосферної електрики.
Будь-яка інформація з цього приводу може дати ключ до загадки або принаймні хоч щось повідомити про неї. Ось одне цікаве явище: якщо ми вимірюємо струм (а він, як ми знаємо, стійкіший, ніж градієнт потенціалу), скажімо над морем, і при ретельному дотриманні застережень, дуже акуратно все усереднюємо і позбуваємося всіляких похибок, то ми виявляємо, що все ж залишаються якісь добові варіації. Середнє за багатьма вимірюваннями над океанами має часову варіацію приблизно таку, яка показана на фіг. 9.5. Струм змінюється приблизно на ±15% і досягає найбільшого значення о 7 годині вечора за лондонським часом. Найдивовижніше тут те, що, де б ви не вимірювали струм — в Атлантичному океані, в Тихому чи в Північному Льодовитому, — його години пік бувають тоді, коли годинник у Лондоні показує 7 вечора! Всюди у всьому світі струм досягає максимуму о 19.00 за лондонським часом, а мінімуму — о 4.00 за тим самим часом. Іншими словами, струм залежить від абсолютного земного часу, а не від місцевого часу в точці спостереження. В одному відношенні це все ж не так уже й дивно; це цілком узгоджується з нашим уявленням про те, що на самому верху є дуже велика горизонтальна провідність, яка й виключає місцеві зміни різниці потенціалів між Землею і верхом. Будь-які зміни потенціалу мають бути всесвітніми, і так воно і є. Отже, тепер ми знаємо, що напруга «вгорі» зі зміною абсолютного земного часу то підіймається, то падає на 15%.