Электрическое поле атмосферы есть органическое, неотъемлемое свойство воздушной среды. Оно является следствием взаимодействия положительного объемного заряда атмосферы и индуцированного отрицательного заряда земной поверхности. Факт существования электрического поля был установлен еще М.В. Ломоносовым [1]. После открытия электропроводности воздуха О. Кулоном и разработки теории ионов Эльстером и Гейтелем [2] возникла фундаментальная проблема геофизик: разность потенциалов между атмосферой и землей должны исчезнуть благодаря электрическому току проводимости. Для постоянного существования электрического поля необходим некий глобальный генератор электричества.

Физическая природа такого генератора обсуждалась в многочисленных гипотезах. Решению задачи о генераторе атмосферного электричества посвящены и многие публикации автора [3, 4, 5 и др.]. Целью настоящего доклада является обоснование новой концепции автора о физической природе электрического поля атмосферы.

Первой непротиворечивой точкой зрения в рассматриваемой проблеме была «гипотеза сферического конденсатора» Вильсона. По Вильсону земная поверхность и верхняя атмосфера представляют собой проводящие «обкладки» гигантского конденсатора. По оценкам Вильсона, между обкладками этого конденсатора течет суммарный ток 1800 А, а восполняет утечку заряда глобальная грозовая деятельность, которая характеризуется одновременным существованием 1800 гроз при токе каждой грозы 1 А. главным экспериментальным подтверждением гипотезы Вильсона являлась так называемая «унитарная вариация» – суточное изменение напряженности электрического поля, наблюдаемое над океанами и полностью коррелирующее с изменением суммарного числа гроз на Земле.

Унитарная вариация наблюдается над океанами, где локальные эффекты загрязнения атмосферы малы. Автор обнаружил подобные суточные изменения в Арктике. Гипотеза Вильсона разработана в 30-х годах XX в. Большое число более поздних работ показали несоответствие ее некоторым опытным фактам. В частности, автор отметил, что если в суточном ходе корреляция электрического поля с числом гроз прямая, то годовые вариации этих величин противоположны: максимум напряженности электрического поля наблюдается в зимние месяцы северного полушария, когда число гроз минимально.

Важным экспериментальным фактом для любой гипотезы о природе атмосферного электричества служит баланс электрических токов в системе атмосфера – земная поверхность. Получить полную сводку баланса токов весьма трудно, поэтому она имеется лишь для двух пунктов: Кью (Англия) [6] и Иркутск [5].

Таблица 1

Баланс электрических токов в атмосфере

Составляющие баланса	Заряд (Кл/км2*год)
	Кью [6]	Иркутск [5]
Ток проводимости	+60	+68
Ток осадков	+20	+65
Ток молний	–20	–33
Ток коронирования	–100	–55
Баланс	–40	+45

Составляющие баланса токов оцениваются с разной степенью точности; ток проводимости и ток осадков измеряются непосредственно довольно точно, ток молний находится по числу разрядов на земле (с этой целью автором созданы регистраторы числа разрядов [5]). Наиболее сложно оценить ток коронирования с естественных острий под грозовым облаком. Поэтому уместно кратко описать оригинальную методику автора [5].

Ток коронирования с естественных острий (трава, деревья, скалы и т.п.) создает ионы объемного заряда ρ, который связан с напряженностью поля уравнением Пуассона: dive = ρ*1/ε₀ (1)

Поскольку главную роль играет вертикальная компонента напряженности, уравнение (1) легко проинтегрировать в пределах приземного слоя: E = 1/ε₀∫ρdz = 1/ε₀ q (2)

Суммарный ток коронирования будет равен:

I = dq/dt = ε₀* dE_ρ/dt (3)

Напряженность поля E_ρ создается объемным зарядом от тока короны и существует вместе с основным полем грозового облака. Разделить две эти составляющие можно в период восстановления электрического поля после грозового разряда. Детальный анализ кривых восстановления показал, что их можно представить суммой двух экспонент:

E(t) = E₁exp(–t/τ₁) + E₂exp(–t /τ₂), (4)

где E₁, E₂ – соответственно напряженности поля от облака и от объемного заряда, а τ₁ и τ₂ – время релаксации каждого из процессов. Измеряя n ординат кривой восстановления для моментов времени t = 0, 1, 2…n из (4) получим систему n уравнений с неизвестными E₁, E₂, τ₁ и τ₂. Для каждого из множества разрядов такая система решалась методом наименьших квадратов и находились значения E₂ и τ₂, характеризующие процесс короны и затем определялся ток коронирования по равенству (3):

I = –ε₀ E₂/τ₂ (5)

Возвращаясь к таблице баланса токов, подчеркнем, что она приводит к фундаментальному выводу: на Земле должны одновременно существовать районы как с положительным, так и с отрицательным балансом. В силу закона сохранения, суммарный заряд Земли должен быть равен нулю (Земля как планета электрически нейтральна). Зоны положительного и отрицательного баланса различаются комплексом свойств атмосферы и земной поверхности: — суша и океан, атмосферная циркуляция, процессы облакообразования и т.п. Сказанное позволило автору сформулировать “динамическую” гипотезу атмосферного электричества, заключающуюся в том, что генератором электричества являются не только грозы, но и слоистые формы облаков, циклоны, метели и пыльные бури. Многофакторность процесса электризации в атмосфере хорошо иллюстрируются рисунком (рис. 1), где представлен годовой ход некоторых геофизических показателей.

Рис. 1. Годовой ход нормированных значений некоторых геофизических параметров: 1 – средняя напряженность электрического поля; 2 – ток проводимости на земной поверхности; 3 – разность тока проводимости на высотах 30 и 5 км; 4 – глобальная облачность над северным полушарием; 5 – отношение индекса меридиональной циркуляции к зональной.

В соответствии со схемой сферического конденсатора, напряженность поля, и ток проводимости должны изменяться синфазно с потенциалом слоя выравнивания.

Такая зависимость проявляется в суточном ходе. В годовом же ходе прямая связь этих параметров отсутствует, а в отдельные сезоны меняется на обратную. Амплитуда годовой вариации электрического поля на континентах составляет 78 % от среднего значения. Электропроводимость воздуха изменяется в течение года лишь на 36 %. Поэтому сезонные изменения напряженности поля нельзя объяснить ходом проводимости, а нужно учитывать процессы генерации заряда во всей толще атмосферы. В тропосфере объемный заряд может создаваться в облаках негрозовых форм, в метелях и пыльных бурях. В стратосфере также имеет место дополнительный источник заряда, приводящий к увеличению тока проводимости в слое озона. Разность токов в тропосфера и стратосфере (рис. 1, кривая 3) изменяется синфазно с облачностью северного полушария. Еще более тесное (обратная) корреляция наблюдается между разностью токов и относительным индексом атмосферной циркуляции.

Не обсуждая сложную проблему вероятных механизмов связи электрических характеристик атмосферы с ее циркуляционными и термодинамическими параметрами, отметим, что следствием этих связей является структура баланса электрических токов в системе атмосфера – Земная поверхность.

На основании изложенного можно заключить, что процессы возникновения и сохранения отрицательного заряда Земной поверхности гораздо сложнее и многообразнее, чем это постулируется гипотезой шарового конденсатора.

А.Х. Филиппов

Литература

1. Ломоносов М.В. Слово о явлениях воздушных от электрической силы происходящих / Полн. собр. соч. – М.: Изд. АН СССР, 1952. – Т. 3. – 580 с.
2. Льоцци М. История физики. – М.: Мир, 1970. – 463 с.
3. Филиппов А.Х. Вертикальный ток проводимости в атмосфере. – Труды ГГО, 1967. – Вып. 204. – С. 100–108.
4. Филиппов А.Х. Измерение суммарного разряда осадков в Иркутске. – Труды ГГО, 1967. – Вып. 204. – С. 109–113.
5. Филиппов А.Х. Грозы восточной Сибири. – М.: Гидрометеоиздат, 1974. – 75 с.
6. Wormell T.W. Vertical electrical currents below thunderstorms and showers. // Proc. Roy. Soc. A., 1927. – Vol. 65, N 771. – P. 771–796.