ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА,, 2015, том 34, № 10, с. 8-11
^ ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА
АТМОСФЕРНЫХ ЯВЛЕНИЙ
УДК 550.3
ТОК ПРОВОДИМОСТИ И СТОРОННИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ГЛОБАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ © 2015 г. А. А. Намгаладзе*, М. И. Карпов
Мурманский государственный технический университет *Е-таП: namgaladzeaa@mstu.edu.ru Поступила в редакцию 11.12.2014
Рассматривается роль электрического тока проводимости и стороннего электрического тока в глобальной электрической цепи. Ток, связанный с процессами образования грозовых и дождевых облаков, заряжает ионосферу положительно относительно Земли и создает разность потенциалов между ними порядка 250 кВ. Возникает глобальное электрическое поле, направленное к Земле. Под действием этого поля течет электрический ток, обусловленный электрической проводимостью атмосферы, стремящийся разрядить конденсатор Земля—ионосфера и направленный противоположно току заряда. Этот электрический ток течет в сухом воздухе областей хорошей погоды. В условиях загрязненного, теплого и влажного воздуха значительно возрастает роль неэлектрических сил в генерации электричества между Землей и ионосферой. Замедленная рекомбинация крупных заряженных частиц, образованных в результате ионизации воздуха и прилипания электронов к тяжелым частицам, способствует увеличению концентрации зарядов, которые переносятся под действием силы тяжести и градиентов давления. Процессы преимущественной конденсации водяных паров на отрицательных зарядах с последующей коагуляцией приводят к разделению зарядов по массе в поле силы тяжести с оседанием отрицательных и всплыванием положительных зарядов, т.е. к появлению стороннего электрического тока (тока зарядки ионосферы), направленного противоположно току проводимости. Показано, что в ходе процессов подготовки землетрясений атмосферные условия над тектоническим разломом способствуют генерации стороннего электрического тока. Обсуждаются ключевые факторы, определяющие интенсивность сейсмогенного электрического тока, его роль в формировании сейсмогенных электрических полей в ионосфере и их термосферных и ионосферных эффектов.
Ключевые слова: глобальная электрическая цепь, электрическая проводимость, сторонний электрический ток, аэрозоли, конденсация, коагуляция, облака, грозы, землетрясения.
Б01: 10.7868/80207401X15100106
ВВЕДЕНИЕ
Глобальная электрическая цепь представляет собой замкнутую систему электрических токов, текущих в ионосфере, Земле и между ними (см., например, рисунок в [1]). Общий ток в цепи составляет порядка 1—2 кА. Считается, что электродвижущей силой в цепи являются процессы образования грозовых и дождевых облаков, в результате которых ионосфера заряжается положительно относительно Земли с разностью потенциалов около 250 кВ между ними [2, 3]. Благодаря наличию ионов, образованных вследствие ионизации воздуха галактическими космическими лучами и естественной радиоактивности у поверхности, система замыкается электрическим током, текущим через слабо проводящую атмосферу в областях с сухим воздухом. Этот электрический ток проводимости, получивший название тока хорошей погоды и направленный от ионосфере к Земле, стремится "снять" разность
потенциалов между ними и составляет порядка 2-3 пА/м2 [4].
В отличие от электрического тока хорошей погоды, создаваемого под действием фонового электрического поля между ионосферой и Землей и определяемого электрической проводимостью атмосферы (в первую очередь проводимостью приземного слоя воздуха), электрический ток, связанный с грозовой активностью, обусловлен появлением тяжелых отрицательных зарядов и переносом заряженных частиц неэлектрическими силами: силами тяжести и градиентами давления. В связи с сильной изменчивостью местных атмосферных условий (концентраций различных примесей, влажности и температуры воздуха во всем диапазоне высот и пр.) ток зарядки электрической цепи также подвержен значительным изменениям, что, соответственно, приводит к локальным вариациям разности потенциалов между ионосферой и Землей.
ТОК ПРОВОДИМОСТИ И СТОРОННИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК
9
СТОРОННИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК
При ионизации воздуха, например галактическими космическими лучами, свободные электроны активно взаимодействуют с тяжелыми молекулами и крупными аэрозолями, прилипая к ним. Скорость рекомбинации новообразованных заряженных аэрозолей может изменяться на четыре порядка в зависимости от их размеров [5] и существенно меньше скорости рекомбинации первичных зарядов. Таким образом, в воздухе с большим содержанием крупных частиц вследствие замедленной рекомбинации происходит увеличение концентрации зарядов.
Отрицательно заряженные частицы могут выступать в роли ядер конденсации восходящих паров воды с последующей коаугляцией в крупные и тяжелые водяные капли (образование облаков), которые опускаются вниз под действием силы тяжести (дожди) [6—8]. Более легкие положительные заряды "всплывают" вверх вместе с восходящими потоками теплого воздуха. Таким образом, в результате конвективного переноса и гравитационного оседания заряженных аэрозолей и тяжелых ионов, когда более легкие положительные заряды поднимаются вверх быстрее, происходит разделение электрических зарядов и генерируется электрический ток, получивший название стороннего. В отличие от тока хорошей погоды, определяемого электрической проводимостью воздуха и фоновым электрическим полем между Землей и ионосферой, сторонний ток создается неэлектрическими силами и направлен в противоположную сторону.
ОБСУЖДЕНИЕ
Условия, способствующие усилению стороннего электрического тока, появляются при извержении вулканов вследствие выбросов в атмосферу большого количества пепла, при пылевых бурях, тайфунах, т.е. при таких природных явлениях, которые сопровождаются увеличением концентрации в воздухе тяжелых частиц (пылевых и водяных аэрозолей) и характеризуется наличием масс восходящего теплого и влажного воздуха. Такие условия наблюдаются и в процессах подготовки землетрясений (за несколько дней до сейсмического толчка). Почвенные газы, выталкиваемые в приземный слой атмосферы при сдавливании тектонических плит, содержат значительное количество крупных частиц, а также радиоактивных газов и продуктов их распада, в частности радона [9—15] — основного естественного источника ионизации приземного воздуха. С увеличением высоты вклад радона в ионизацию воздуха уменьшается, но в значительной степени компенсируется воздействием галактических космических лучей. Увеличению скорости ионизации воздуха у поверхности, возможно, способствуют мощные электрические по-
ля так называемых положительных дыр — электрических зарядов, накапливающихся у поверхности Земли при сжатии пород [16].
Выброс почвенных газов над очагами землетрясений также сопровождается образованием термальных аномалий, представляющих собой воздушные массы с повышенной на несколько градусов температурой, регистрируемых в инфракрасном диапазоне (Ouzhounov, 2011) и способствующих подъему газов.
Связь землетрясений и формирования облачности обсуждалась в работе [17], а статистические данные представлены в [18]. Так, согласно последнему исследованию, 58 из 85 рассмотренных землетрясений магнитудой 3.6 и более по шкале Рихтера сопровождались образованием крупномасштабных линейнообразных облаков, "привязанных" к тектоническому разлому. По спутниковым снимкам развития облачности предпринимались единичные попытки прогнозирования землетрясений в Италии и Ираке [19].
Те же процессы, способствующие усилению стороннего электрического тока в периоды сейсмической активности, оказывают существенное влияние и на электрический ток проводимости. Дополнительная ионизации воздуха эманирую-щим из разлома радоном, с одной стороны, увеличивает концентрацию зарядов, что приводит к увеличению электрической проводимости воздуха. С другой стороны, повышенная концентрация крупных частиц приводит к увеличению частоты упругих и неупругих столкновений, и, соответственно, возрастает роль силы трения, уменьшающей проводимость. Итоговый результат — увеличение или уменьшение плотности тока проводимости — будет зависеть от того, какой из процессов станет доминирующим.
Результирующий электрический ток, текущий над областью подготовки землетрясений, является суммой тока проводимости и стороннего электрического тока, создаваемого неэлектрическими силами, и проводит к изменению электрического потенциала между Землей и ионосферой. Денисенко с соавт. [20] показали, что изменения электрической проводимости атмосферы не могут изменять напряженность электрического поля в ионосфере более чем на несколько мкВ/м. Такие значения не согласуются со спутниковыми измерениями напряженности электрического поля над областями подготовки землетрясений. Спутник DEMETER (Détection ofElectro-Magnetic Emissions Transmitted from Earthquake Regions) был специально запущен в рамках программы изучения воздействий на ионосферу процессов подготовки землетрясений, а также вулканической активности и антропогенных загрязнений [21]. Его измерения показывают изменения напряженности квазистационарного электрического поля над сейсмически
10
НАМГАЛАДЗЕ, КАРПОВ
активными районами в низких и средних широтах от нескольких единиц до 10-15 мВ/м, относительные изменения электронной концентрации на десятки процентов, а также изменения электронной температуры. При этом области возмущений занимают от нескольких сотен до двух тысяч километров [22-24]. Аналогичные значения напряженности электрического поля были получены спутником 1п-1егсо8шо8-Ви1§аг1а 1300 [25-28].
Несоответствие данных спутниковых измерений сейсмогенных электрических полей с оценками, сделаными в работе [20], означает, что для корректного физико-математического описания электрических токов, текущих над тектоническими разломами, и моделирования соответствующих эффектов в ионосфере, помимо изменений электрической проводимости атмосферы, необходимо учитывать сторонние электрические токи, создаваемые неэлектрическими силами. Замедленная рекомбинация заряженных аэрозолей при этом становится ключевым фактором, определяющим высокую интенсивность электрического тока.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.