Ist die Ladung der Erde positiv oder negativ? Elektrisches Feldpotential der Erdatmosphäre

Sturm. Blitz.

Das Adjektiv „furchtbar“ wird aus dem Substantiv „Gewitter“ gebildet. Nach solch einer subtilen sprachlichen Beobachtung und einem nachdenklichen Abschluss werden die wunderbaren Gedichte von F.I. sofort in Erinnerung bleiben. Tyutcheva: „Ich liebe Gewitter Anfang Mai …“ Natürlich gibt es zu jeder Jahreszeit Gewitter, auch im Winter, aber im Frühling, wenn die Natur blüht, ist das Gewitter besonders schön, und das ist es, was das bedeutet Sänger bemerkte es.

Was ist schön, majestätisch und zugleich gefährliches Phänomen nennt die Natur ein Gewitter? Wissenschaftler und einfache Leute habe schon lange darüber nachgedacht. Da die Menschen in der Antike die Gründe für das Wesen eines Gewitters nicht verstanden, erlebten sie ständig heiligen Schrecken vor diesem Naturphänomen. Und es gab etwas, worüber man sich entsetzen konnte: Die Folgen starker Gewitter waren oft die Zerstörung von Häusern und Nebengebäuden, Brände und der Tod von Menschen und Haustieren.

Erst im 18. Jahrhundert stellten Wissenschaftler fest, dass es Blitze gibt Funkenentladung atmosphärische Elektrizität. Viele Wissenschaftler untersuchten atmosphärische Elektrizität, darunter M.V. Lomonosov, der die vertikalen Strömungen in der Atmosphäre und das Auftreten elektrischer Ladungen auf Wolken richtig vermutete. Basierend auf Experimenten, die zwischen 1752 und 1753 durchgeführt wurden, hat M.V. Lomonossow und der amerikanische Forscher und Staatsmann Benjamin Franklin (1706-1790) bewiesen gleichzeitig und unabhängig voneinander, dass Gewitterblitze ein gigantischer elektrischer Funke sind, der sich bis auf seine Größe und dementsprechend Energie nicht von einem zwischen den Kugeln springenden Funken unterscheidet ein Labor für Elektroautos.

Lomonossow baute eine „Donnermaschine“, einen Kondensator, der über einen Draht, dessen Ende an einem hohen Mast über dem Boden angebracht war, mit atmosphärischer Elektrizität aufgeladen wurde. Der Kondensator befand sich in Lomonossows Büro. Während eines Gewitters war es möglich, einem Kondensator Funken zu entlocken, wenn man sich ihm mit den Händen näherte. Während solcher Experimente im Jahr 1753 starb vor den Augen Lomonossows sein Freund, der mit ihm zusammengearbeitete deutsche Wissenschaftler Georg Richmann.

Etwa zur gleichen Zeit führte Franklin in Amerika ein nicht weniger gefährliches Experiment durch. Während eines Gewitters ließ er einen Papierdrachen an einer Schnur steigen, der mit einer Eisenspitze ausgestattet war. Am unteren Ende der Schnur war ein Metallgegenstand (ein Türschlüssel) befestigt. Als die Saite nass wurde und zum Leiter des elektrischen Stroms wurde, konnte Franklin elektrische Funken aus dem Schlüssel entlocken und die Leidener Gefäße für weitere Experimente mit einer elektrischen Maschine aufladen. Es ist klar, dass Franklin ein großes Risiko eingegangen ist, denn... Ein Blitz könnte die Schlangen treffen, und dann würde ein großer elektrischer Strom durch den Körper des Experimentators in den Boden fließen.

Experimente von Lomonosov und Franklin zeigten, dass Gewitterwolken stark elektrisch aufgeladen sind.

Später wurde festgestellt, dass verschiedene Teile einer Gewitterwolke Ladungen unterschiedlichen Vorzeichens tragen. Am häufigsten ist der untere Teil der Wolke (dem Boden zugewandt) negativ und der obere Teil positiv geladen. Denken Sie daran, dass die Erde als Ganzes eine negative Ladung hat. Nähern sich zwei Wolken mit entgegengesetzt geladenen Teilen einander, dann zucken Blitze zwischen ihnen. Aber eine Blitzentladung kann auch auf andere Weise passieren. Wenn eine Gewitterwolke über die Erde zieht, erzeugt sie auf ihrer Oberfläche große induktive Ladungen. Die Wolke und die Erdoberfläche bilden sozusagen zwei Platten eines großen Kondensators. Der Potentialunterschied zwischen der Wolke und dem Boden erreicht enorme Werte und erreicht Hunderte Millionen Volt, und in der Luft entsteht ein starkes elektrisches Feld. Erreicht die Stärke dieses Feldes eine bestimmte Grenze, kommt es zu einem Durchschlag, d.h. Der Blitz schlägt in den Boden ein. Die möglichen Folgen eines solchen Schlags für Menschen und umliegende Objekte haben wir bereits erwähnt.

Zahlreiche Langzeitstudien zeigen, dass eine Funkenentladung bei Blitzen folgende durchschnittliche Parameter aufweist:

Die Spannung zwischen der Wolke und der Erde beträgt 100.000.000 (einhundert Millionen) Volt;
Die Stromstärke eines Blitzes beträgt 100.000 (einhunderttausend) Ampere;
Die Dauer der elektrischen Entladung beträgt 10 -6 (ein Millionstel) Sekunde;
Der Durchmesser des Leuchtkanals beträgt 10-20 cm.

Donner entsteht nach dem Auftreten eines Blitzes, weil die Luft im und um den Blitzkanal extrem heiß wird und sich schnell ausdehnt, wodurch Schallwellen entstehen. Wenn diese Wellen von Wolken oder Objekten auf der Erdoberfläche reflektiert werden, entsteht ein Echo, das unsere Ohren als Donner wahrnehmen. Das erdrückende Dröhnen dieser Schläge zeigt indirekt, wie ungeheuerlich die Werte der elektrischen Größen sind, die Blitze verursacht haben.

Elektrisches Feld der Erde.

Forscher haben herausgefunden, dass zwischen verschiedenen Punkten der Erdatmosphäre, die sich in unterschiedlichen Höhen befinden, ein Potenzialunterschied besteht, d. h. nahe Erdoberfläche Es gibt ein elektrisches Feld. Die Größe der Potentialänderung mit der Höhe ist unterschiedlich andere Zeit Jahr und für verschiedene Gebiete und hat einen Durchschnittswert von 130 Volt pro Meter in der Nähe der Erdoberfläche. Mit anderen Worten: Die Feldstärke in Erdnähe beträgt 1,3 V/cm. Wenn es über die Erde steigt, schwächt sich dieses Feld schnell ab und bereits in 1 km Höhe beträgt seine Intensität nur noch 0,4 V/cm, in 10 km Höhe wird es vernachlässigbar schwach. Das Vorzeichen dieser Änderung entspricht der negativen Ladung der Erde. Daher leben und arbeiten wir ständig in einem elektrischen Feld von ganz erheblicher Intensität.

Da das Feld in Erdnähe eine Stärke von etwa 130 V/m hat, sollte zwischen den Punkten, an denen sich Kopf und Füße eines jeden von uns befinden, eine Spannung von über 200 Volt herrschen. Warum spüren wir dieses Feld nicht, während das Berühren eines Leiters, der an ein Netz mit einer Spannung von 100-120 Volt angeschlossen ist, nicht nur schmerzhaft, sondern auch tödlich sein kann? Es stellt sich heraus, dass der menschliche Körper ein Leiter ist und daher seine Oberfläche im Feld sein sollte, wenn die Ladungen im Gleichgewicht sind Äquipotentialfläche, d.h. so dass für jedes Punktpaar die Potentialdifferenz Null ist. Daher kann zwischen einzelnen Punkten der Körperoberfläche (Kopf und Beine) kein Potenzialunterschied bestehen. Der Globus als Ganzes ist ein Leiter, daher ist die Erdoberfläche auch eine Äquipotentialfläche.

Pilotstudie elektrisches Feld Die Erde und entsprechende Berechnungen zeigen, dass die Erde als Ganzes eine negative Ladung hat, deren Durchschnittswert auf eine halbe Million Coulomb (ca. 4,5x10 5) geschätzt wird. Diese Ladung bleibt aufgrund einer Reihe von Prozessen in der Erdatmosphäre und außerhalb davon (im globalen Raum), die noch lange nicht vollständig verstanden sind, nahezu unverändert.

Wo liegen die entsprechenden positiven Ladungen? Diese Ladungen befinden sich in der sogenannten Ionosphäre, also in einer Schicht ionisierter (positiv geladener) Moleküle, die sich mehrere Dutzend Kilometer über der Erde befindet. Die volumetrische positive Ladung dieser Atmosphärenschicht gleicht die negative Ladung der Erde aus. Die Linien des elektrischen Feldes der Erde verlaufen von dieser Schicht zur Erdoberfläche (von positiver zu negativer Ladung).

Regenbogen.

Normalerweise erscheint nach Regen ein Regenbogen am Himmel, dieser farbenfrohe Bogen aus Wasser und Licht. Seit jeher erregen Regenbögen die Gedanken von Forschern und Mythenmachern. Aristoteles beispielsweise betrachtete den Regenbogen als Spiegelbild Sonnenlicht Wolken. Dies ist natürlich eine zu große Vereinfachung des tatsächlichen Phänomens. Nach modernen Vorstellungen ist weißes Licht eine Mischung verschiedener Strahlungen mit jeweils eigenen Wellenlängen. Beim Eindringen in einen in der Luft schwebenden Wassertropfen wird ein weißer Lichtstrahl wie in einem Prisma gebrochen. Trifft es auf die Innenwand eines Tropfens, wird es reflektiert und zerfällt in einfarbige Strahlung, die in unterschiedlichen Winkeln auf die gegenüberliegende Wand gerichtet wird. Wenn diese Strahlungen freigesetzt werden, haben sie eine Farbe, die ihrer eigenen Wellenlänge entspricht. Sie bilden eine mehrfarbige Palette des Regenbogens. Mithilfe von Präzisionsinstrumenten ermittelten die Forscher, dass der Reflexionswinkel des roten Strahls 137°58‘ und der des violetten Strahls 139°43‘ beträgt. So entsteht eine fragile, sich stets wiederholende strenge Farbfolge: am inneren Rand des Regenbogens - Violett, allmählich in Blau, Grün, Gelb, Orange übergehend und am äußeren Rand - Rot.

Ebenso entsteht ein blauer Lichthof über entfernten Gipfeln oder über dem Meereshorizont, wenn Strahlen einer bestimmten Wellenlänge mit Partikeln kollidieren, die von Luftmolekülen gebildet werden. Würde das Licht nicht von Tropfen und Partikeln reflektiert, dann würde uns der Himmel so schwarz erscheinen wie der von Astronauten beobachtete interplanetare Raum außerhalb der Erdatmosphäre.

Eine wissenschaftliche Erklärung des Regenbogens lieferte Rene Descartes bereits 1635 in seinem Werk „Meteore“ im Kapitel „Über den Regenbogen“, das auf unserer Website vorgestellt wird.

Lichtwellen sind elektromagnetische Schwingungen. Vom Auge wahrgenommen und vom Gehirn verarbeitet, erzeugen sie ein dreidimensionales, farbenfrohes Bild der Welt, die wir wahrnehmen. Rainbow ist eine geordnete Serie elektromagnetische Schwingungen mit Wellenlängen von 8x10 -5 cm für Rot bis 4x10 -5 cm für Violett. Die Wellenlängen für andere Farben liegen zwischen diesen Werten. Das menschliche Auge ist ein unglaublich komplexes physikalisches Gerät, das in der Lage ist, Farbunterschiede und sogar Farbschattierungen zu erkennen, die einem völlig unbedeutenden Unterschied in der Länge der Lichtwellen entsprechen: etwa 10 -6 (ungefähr ein Millionstel!) Zentimeter. Im Allgemeinen gibt es in der Natur keine Farben, sondern nur Wellen unterschiedlicher Länge. Die Farben, die wir sehen, sind die Energie einer Lichtwelle, die vom Auge gemessen und vom Gehirn interpretiert wird. Das erstaunliche Farbenspiel wird von unserem Auge nur in einem schmalen Frequenzband der Lichtschwingungen wahrgenommen. Wie könnte es aussehen? die Umwelt, wenn das menschliche Auge Zugang zu einem größeren Frequenzbereich hätte, um ihn in Farben umzuwandeln? Wir können uns eine solche Situation nicht vorstellen.

Und nun ein paar Worte zu anderen Naturphänomenen, die mit der Funktionsweise der Biosphäre zusammenhängen. Um das Thema Niederschlag fortzusetzen, ist es notwendig, über Schneefälle und Hagel zu sprechen. Physikalisch gesehen sind beide Sedimentarten gleich, denn stellen den Fall aus den Wolken desselben verwandelten Wassers dar niedrige Temperaturen Luft in einen anderen Aggregatzustand. Wenn die Temperatur auf etwa 0 °C bis 1 °C steigt, verwandeln sich Schnee und Hagel wieder in Wasser, d. h. in die flüssige Phase.

Für Landwirte sind starke Schneefälle zu Beginn des Winters ein Zeichen für eine gute Ernte in der Zukunft: Schließlich sind die Samen der Winterfrüchte nun gut vor Frost geschützt. „Der Schnee ist tief und das Brot ist gut“ – so hieß es in russischen Dörfern seit jeher. Und die schneebedeckten Bäume wirken bezaubernd Wintergeschichte. Wie viel Freude haben Kinder, wenn sie die Möglichkeit haben, eine Schneefrau zu basteln oder Schneebälle zu spielen!

Doch nicht nur der Schneefall bereitet Freude. Was nützt es, wenn sie zu reichlich, zu langanhaltend und stürmisch sind? Meterlange Schneeverwehungen und Verwehungen auf den Straßen, Unterbrechungen der Bodenarbeiten und Lufttransport, gebrochene Stromleitungen, Schneelawinen in den Bergen, die oft zur Gefangennahme und manchmal zum Tod von Menschen in der Schneemasse führen. Für Wildtiere und Vögel wird es schwierig, Nahrung zu finden. All das beobachten und erleben wir fast jedes Jahr in den unterschiedlichsten Gegenden der Erde.

Großer Hagel, insbesondere wenn er im Frühjahr fällt, kann große Ernteschäden in Gärten und Feldern verursachen und sogar Schäden an Gebäuden, im Freien geparkten Autos usw. verursachen.

Elektrisches Feld der Erde, das natürliche elektrische Feld der Erde als Planet, das in beobachtet wird Festkörper Erde, in den Meeren, in der Atmosphäre und Magnetosphäre. E. Punkt 3. wird durch einen komplexen Komplex geophysikalischer Phänomene verursacht. Die Verteilung des Feldpotentials enthält bestimmte Informationen über die Struktur der Erde, über die Prozesse, die in den unteren Schichten der Atmosphäre, in der Ionosphäre, Magnetosphäre sowie im nahen interplanetaren Raum und auf der Sonne ablaufen.

Die Technik zur Messung der Elektronendichte 3. wird durch das Medium bestimmt, in dem das Feld beobachtet wird. Die universellste Methode besteht darin, die Potentialdifferenz mithilfe räumlich beabstandeter Elektroden zu bestimmen. Diese Methode wird bei der Erfassung von Erdströmen verwendet (vgl. Tellurische Ströme ), bei der Messung des elektrischen Feldes der Atmosphäre von Flugzeugen und von Raumfahrzeugen - der Magnetosphäre und dem Weltraum (in diesem Fall muss der Abstand zwischen den Elektroden größer sein). Debye-Abschirmungsradius im kosmischen Plasma, d. h. Hunderte von Metern betragen).

Die Existenz eines elektrischen Feldes in der Erdatmosphäre hängt hauptsächlich mit den Prozessen der Luftionisierung und der räumlichen Trennung positiver und negativer elektrischer Ladungen zusammen, die bei der Ionisierung entstehen. Die Ionisierung der Luft erfolgt unter dem Einfluss der kosmischen Strahlung der ultravioletten Strahlung der Sonne; Strahlung radioaktiver Stoffe auf der Erdoberfläche und in der Luft; elektrische Entladungen in der Atmosphäre usw. Viele atmosphärische Prozesse: Konvektion, Wolkenbildung, Niederschlag und andere – führen zu einer teilweisen Trennung ungleicher Ladungen und der Entstehung atmosphärischer elektrischer Felder (siehe. Atmosphärische Elektrizität ). Im Verhältnis zur Atmosphäre ist die Erdoberfläche negativ geladen.

Das Vorhandensein eines atmosphärischen elektrischen Feldes führt zur Entstehung von Strömen, Entladung der elektrischen „Kondensator“-Atmosphäre – der Erde. Niederschlag spielt eine wesentliche Rolle beim Ladungsaustausch zwischen der Erdoberfläche und der Atmosphäre. Im Durchschnitt bringt Niederschlag 1,1-1,4-mal mehr positive Ladungen mit sich als negative. Der Ladungsaustritt aus der Atmosphäre wird auch durch blitzbedingte Ströme und den Ladungsfluss von spitzen Gegenständen (Punkten) wieder aufgefüllt. Das Gleichgewicht der elektrischen Ladungen, die mit einer Fläche von 1 auf die Erdoberfläche gebracht werden km 2 pro Jahr können durch folgende Daten charakterisiert werden:

Leitungsstrom + 60 k/(km 2 Jahr)

Niederschlagsströme + 20 "

Blitzentladungen – 20 »

Ströme von den Spitzen - 100 "

__________________________

Insgesamt – 40 k/(km 2 Jahr)

Auf einem erheblichen Teil der Erdoberfläche – über den Ozeanen – sind Strömungen von den Spitzen ausgeschlossen und es stellt sich eine positive Bilanz ein. Die Existenz einer Statik negative Ladung auf der Erdoberfläche (ca. 5,7 × 10 5 Zu) zeigt an, dass diese Ströme im Durchschnitt ausgeglichen sind.

Elektrische Felder in der Ionosphäre werden durch Prozesse verursacht, die sowohl in den oberen Schichten der Atmosphäre als auch in der Magnetosphäre ablaufen. Gezeitenbewegungen von Luftmassen, Winde, Turbulenzen – all dies ist eine Quelle der Erzeugung eines elektrischen Feldes in der Ionosphäre aufgrund des hydromagnetischen Dynamoeffekts (siehe. Erdmagnetismus ) Ein Beispiel ist das solar-tägliche elektrische Stromsystem, das tageszeitliche Schwankungen des Magnetfelds auf der Erdoberfläche verursacht. Die Größe der elektrischen Feldstärke in der Ionosphäre hängt vom Standort des Beobachtungspunkts, der Tageszeit, dem allgemeinen Zustand der Magnetosphäre und Ionosphäre sowie der Aktivität der Sonne ab. Sie reicht von einigen Einheiten bis hin zu Zehnern mv/M, und in der Ionosphäre hoher Breitengrade erreicht er einhundert oder mehr mv/m. In diesem Fall erreicht der Strom Hunderttausende Ampere. Wegen hohe elektrische Leitfähigkeit Plasmen der Ionosphäre und Magnetosphäre entlang der magnetischen Feldlinien der Erde; das elektrische Feld der Ionosphäre wird auf die Magnetosphäre übertragen, und magnetosphärische Felder werden auf die Ionosphäre übertragen.

Eine der direkten Quellen des elektrischen Feldes in der Magnetosphäre ist sonniger Wind. Wenn der Sonnenwind die Magnetosphäre umströmt, entsteht eine EMK E= v´ B^ , wo B ^ - Normalkomponente des Magnetfeldes an der Oberfläche der Magnetosphäre, v- Durchschnittsgeschwindigkeit Sonnenwindpartikel.

Diese EMK verursacht elektrische Ströme, die durch Rückströme geschlossen werden, die über den Schwanz der Magnetosphäre fließen (siehe Abb. Erde ). Letztere werden durch positive Raumladungen auf der Morgenseite des Magnetschweifs und negative auf seiner Abendseite erzeugt. Die elektrische Feldstärke über dem Magnetschweif erreicht 1 mv/M. Der Potentialunterschied über der Polkappe beträgt 20-100 Quadrat.

Ein weiterer Mechanismus zur Anregung von EMK in der Magnetosphäre ist mit dem Zusammenbruch entgegengesetzt gerichteter Magnetfeldlinien im hinteren Teil der Magnetosphäre verbunden; Die dabei freigesetzte Energie bewirkt eine schnelle Bewegung des magnetosphärischen Plasmas in Richtung Erde. In diesem Fall driften Elektronen um die Erde zur Morgenseite, Protonen zur Abendseite. Der Potentialunterschied zwischen den Zentren äquivalenter Raumladungen erreicht mehrere zehn Kilovolt. Dieses Feld hat die entgegengesetzte Richtung zum Feld der Schweifmagnetosphäre.

Die Existenz eines magnetosphärischen Ringstroms um die Erde steht in direktem Zusammenhang mit der Teilchendrift. Während der Periode magnetische Stürme Und Polar Lichter Elektrische Felder und Ströme in der Magnetosphäre und Ionosphäre unterliegen erheblichen Veränderungen.

In der Magnetosphäre erzeugte magnetohydrodynamische Wellen breiten sich durch natürliche Wellenleiterkanäle entlang der Magnetfeldlinien der Erde aus. Beim Eintritt in die Ionosphäre werden sie in elektromagnetische Wellen umgewandelt, die teilweise die Erdoberfläche erreichen, sich teilweise im ionosphärischen Wellenleiter ausbreiten und gedämpft werden. Auf der Erdoberfläche werden diese Wellen je nach Schwingungsfrequenz oder als magnetische Pulsationen aufgezeichnet (10 -). 2 -10 Hz) oder als sehr niederfrequente Wellen (Schwingungen mit einer Frequenz von 10 2 -10 4). Hz).

Das magnetische Wechselfeld der Erde, dessen Quellen in der Ionosphäre und Magnetosphäre lokalisiert sind, induziert ein elektrisches Feld Erdkruste. Die elektrische Feldstärke in der oberflächennahen Schicht der Kruste variiert je nach Standort und elektrischem Widerstand der Gesteine ​​und liegt zwischen mehreren Einheiten und mehreren Hundert mv/km, und während magnetischer Stürme verstärkt es sich auf Einheiten und sogar Zehner V/km. Die miteinander verbundenen magnetischen und elektrischen Wechselfelder der Erde werden zur elektromagnetischen Sondierung in der Explorationsgeophysik sowie zur Tiefensondierung der Erde genutzt.

Ein gewisser Beitrag zur Wirtschaftswissenschaft. Z. führt eine Kontaktpotentialdifferenz zwischen Gesteinen unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit ein (thermoelektrische, elektrochemische, piezoelektrische Effekte). Eine besondere Rolle können dabei vulkanische und seismische Prozesse spielen.

Elektrische Felder in den Meeren werden durch das magnetische Wechselfeld der Erde induziert und entstehen auch, wenn sich leitendes Meerwasser (Meereswellen und Strömungen) in einem Magnetfeld bewegt. Die Dichte der elektrischen Ströme in den Meeren erreicht 10 -6 Auto 2 . Diese Ströme können als natürliche Quellen magnetischer Wechselfelder für die Sondierung magnetischer Variationen auf dem Schelf und auf See genutzt werden.

Die Frage nach der elektrischen Ladung der Erde als Quelle des elektrischen Feldes im interplanetaren Raum ist noch nicht vollständig geklärt. Es wird angenommen, dass die Erde als Planet elektrisch neutral ist. Diese Hypothese bedarf jedoch einer experimentellen Bestätigung. Erste Messungen zeigten, dass die elektrische Feldstärke im erdnahen interplanetaren Raum zwischen Zehnteln und mehreren Zehnern liegt mv/M.

Zündete.: Tikhonov A.N. Zur Bestimmung der elektrischen Eigenschaften tiefer Schichten der Erdkruste: „Doc. Akademie der Wissenschaften der UdSSR“, 1950, Bd. 73, Nr. 2; Tverskoy P.N., Kurs für Meteorologie, Leningrad, 1962; Akasofu S.I., Chapman S., Solar-Terrestrial Physics, trans. aus dem Englischen, Teil 2, M., 1975.

Yu. P. Sizov.

Große sowjetische Enzyklopädie M.: „ Sowjetische Enzyklopädie", 1969-1978

Der natürliche Zustand von Körpern auf der Erdoberfläche – sowohl Atomen und Molekülen als auch großen Materiestücken – ist elektrische Neutralität. Wenn Sie jedoch ein Elektroskop aufladen, verliert es nach einiger Zeit seine gesamte Ladung, egal wie sorgfältig die Isolierung ist. Das bedeutet, dass sich in der Luft um uns herum viele geladene Teilchen befinden – Ionen und Staubpartikel. Die Elektroskopkugel „saugt“ Ionen des entgegengesetzten Vorzeichens aus der Atmosphäre in sich auf und wird neutral.

Hoch über uns erstreckt sich eine dicke Schicht aus stark ionisiertem Gas – die Ionosphäre. Es beginnt mehrere Dutzend Kilometer von der Erdoberfläche entfernt und erreicht eine Höhe von vierhundert Kilometern. Mit einem Elektroskop werden Sie es nicht finden. Die Entdeckung der Ionosphäre erforderte die Erfindung des Radios. Die Schicht aus hochionisiertem Gas leitet Elektrizität gut und reflektiert wie eine Metalloberfläche Radiowellen mit einer Wellenlänge von mehr als 30 Metern. Gäbe es keinen ionosphärischen „Spiegel“ um die Erde, wäre Kurzwellenfunkkommunikation nur innerhalb der Sichtlinie möglich.

Drei Lieferanten

Es gibt also Ionen um uns herum und über uns. Aber sie sind nur von kurzer Dauer. Eine zufällige Begegnung ungleicher Ionen – und sie hören auf zu existieren. Das bedeutet, dass es einige kontinuierlich ablaufende Prozesse geben muss, die Ionen liefern.

Es gibt drei solcher Anbieter. In der Nähe der Erdoberfläche befindet sich die Strahlung radioaktiver Elemente, die in geringen Mengen in der Erdkruste enthalten sind. In großen Höhen - ultraviolette Strahlung der Sonne. Und schließlich wird die gesamte Dicke der Atmosphäre von oben bis unten von Strömen sehr schneller geladener Teilchen – kosmischer Strahlung – durchdrungen. Ein kleiner Teil davon stammt von der Sonne, der Rest aus den Tiefen des Weltraums unserer Galaxie.

Manchmal brechen besonders starke Ströme geladener Teilchen aus der Sonnenoberfläche. In einer Höhe von mehreren hundert Kilometern über der Erde liegen sie elektromagnetische Felder regen Atome an und veranlassen sie, Licht auszusenden. Dann sehen wir das Nordlicht. Sie kommen hauptsächlich in hohen Breiten vor und sind dort ansässig gemäßigte Zonen Das unglaublich schöne Spiel der in allen Farben des Regenbogens schillernden Lichtsäulen kommt man fast nie in den Genuss.

Blitz

Aber jeder kennt ein Gewitter. Die ungeheure Ansammlung von Elektrizität eines Zeichens in einer Wolke verursacht einen Funken, dessen Länge manchmal mehrere zehn Kilometer überschreitet. Abhängig von der Leitfähigkeit der Luft und den Objekten, auf die sie treffen, ändern Blitze auf skurrile Weise ihre Bahn und erzeugen oft beeindruckende Effekte. Die erstaunlichsten davon sind im Buch „Atmosphere“ des französischen Astronomen Flammarion aufgeführt.

„Kein Theaterstück, keine Tricks können mit dem Blitz in der Überraschung und Fremdartigkeit seiner Wirkung mithalten. Es scheint eine Art besondere Substanz zu sein, etwas zwischen den unbewussten Kräften der Natur und der bewussten Seele des Menschen.“ Ist es eine Art Geist, subtil und launisch, gerissen und dumm zugleich, hellsichtig oder blind, willensstark oder gezwungen, von einem Extrem zum anderen wechselnd, schrecklich und unverständlich, man kann ihn nicht fangen. Er handelt nur . Seine, genau wie unsere, scheinen nur Launen zu sein, aber tatsächlich unterliegen sie einigen unveränderlichen Gesetzen. Aber bis jetzt konnten wir diese Gesetze nicht begreifen Er verschont ihn nur, ohne jedoch seine Kleidung zu berühren, die unberührt bleibt, ohne ihm auch nur den geringsten Schaden zuzufügen. An einem anderen Ort stiehlt er Münzen, ohne seine Brieftasche oder seine Tasche zu beschädigen. Dann reißt er die Vergoldung vom Kronleuchter ab und überträgt sie auf die Putzwände. dann zieht er dem Reisenden die Schuhe aus und wirft seine Schuhe zehn Meter zur Seite, dann bohrt er schließlich in einem Dorf einen Stapel Teller in der Mitte und außerdem abwechselnd durch zwei Teile... Was für eine Ordnung kann das sein hier etabliert werden.“

Im Folgenden werden etwa hundert verschiedene Fälle aufgeführt. Zum Beispiel: „Einem stark behaarten Mann, der in der Nähe von E. in ein Gewitter verwickelt war, wurden die Haare vom Blitz in Streifen am ganzen Körper abrasiert, zu Kugeln gerollt und tief in die dicke Wadenmuskulatur gesteckt.“ Oder noch einmal: „Im Sommer 1865 war ein Arzt aus der Wiener Vorstadt, Dr. Drendinger, mit auf dem Heimweg Eisenbahn. Als er aus dem Wagen stieg, vermisste er seine Brieftasche; Es stellte sich heraus, dass es gestohlen war.

Diese Handtasche war aus Schildpatt, und auf einem ihrer Deckel befand sich ein eingelegtes Stahlmonogramm eines Arztes: zwei ineinander verschlungene D.

Einige Zeit später wurde der Arzt zu einem Ausländer gerufen, der durch einen Blitz „getötet“ und bewusstlos unter einem Baum aufgefunden worden war. Das erste, was dem Arzt auf dem Oberschenkel des Patienten auffiel, war sein eigenes Monogramm, als wäre er gerade fotografiert worden. Sie können seine Überraschung beurteilen! Der Patient wurde wiederbelebt und ins Krankenhaus gebracht. Dort sagte der Arzt, dass die Schildpatt-Geldbörse des Patienten irgendwo in der Tasche des Patienten sein müsse, was sich als völlig fair herausstellte. Das Opfer war derselbe Dieb, der die Brieftasche gestohlen hatte, und die Elektrizität brandmarkte ihn, wodurch das Metallmonogramm schmolz.

Es ist merkwürdig, dass in den von Flammarion zitierten Statistiken die Zahl der getöteten Frauen fast dreimal geringer ist als die der Männer. Dies lässt sich natürlich nicht mit der Tapferkeit des Blitzes erklären, sondern einfach damit, dass in jenen Tagen (Anfang des 20. Jahrhunderts) in Frankreich eher Männer Feldarbeit verrichteten.

Kürzlich berichteten amerikanische Zeitungen über einen Fall, der Flammarions würdig war. Der Blitz schlug in den Kühlschrank ein und briet darin das Hähnchen, das dann sicher abgekühlt wurde, da der Kühlschrank funktionstüchtig blieb.

Man kann natürlich an der Zuverlässigkeit aller angeführten Fälle zweifeln, aber man kann nur zustimmen, dass der Blitz wirklich in der Lage ist, Wunder zu bewirken. Es ist nicht immer möglich, sie zu erklären. Die Entladung dauert nur etwa eine Hunderttausendstelsekunde und es gibt keine Vorbereitung, sie in solchen Ausnahmefällen zu beobachten. Es ist unmöglich, das Ereignis später noch einmal zu wiederholen: Sie werden nicht genau den gleichen Blitz erzeugen, ganz zu schweigen von anderen Bedingungen.

Aber im Prinzip ist nicht alles so mysteriös, wie es Flammarion schien. Letztlich kommt es auf so alltägliche Wirkungen des Stroms wie Erwärmung, elektromagnetisches Feld usw. an chemische Reaktionen. Nur der Strom ist enorm: Zehntausende oder sogar Hunderttausende Ampere.

Die Hauptsache ist, die unzähligen Kuriositäten nicht zu verstehen. Wir müssen verstehen, wie sich elektrische Ladung in einer Gewitterwolke ansammelt. Was verursacht die Elektrifizierung von Wassertröpfchen und warum sind Ladungen mit entgegengesetztem Vorzeichen innerhalb der Wolke räumlich getrennt? Hier ist noch nicht alles ganz klar.

Erstens gibt es keinen einheitlichen Mechanismus zum Aufladen von Tröpfchen.

Mehrere solcher Mechanismen sind zuverlässig bekannt und es ist schwierig zu beurteilen, welcher von ihnen die Hauptrolle spielt. Hier sind zwei davon. Im elektrischen Feld der Erde (das haben wir bereits erwähnt). Erde negativ geladen) wird der Wassertropfen polarisiert. Im unteren Teil sammelt sich eine positive Ladung an, im oberen Teil eine negative Ladung. Wenn ein großer Tropfen fällt, fängt er überwiegend negative Luftionen ein und lädt sich elektrisch auf. Positive Ionen werden durch den aufsteigenden Luftstrom nach oben getragen.

Ein weiterer Mechanismus ist die Aufladung von Tröpfchen, wenn diese durch entgegenströmende Luftströme zerkleinert werden. Kleine Spritzer sind negativ geladen und werden nach oben getragen, während große positiv geladene Spritzer nach unten fallen.

Beide Mechanismen sorgen sowohl für die Aufladung der Tröpfchen als auch für die räumliche Trennung von Ladungen mit entgegengesetztem Vorzeichen innerhalb der Wolke. Normalerweise sammelt sich am Boden einer Gewitterwolke eine negative Ladung an (mit Ausnahme eines kleinen, positiv geladenen Bereichs) und an der Oberseite eine positive Ladung.

Noch schlimmer ist die Situation bei der Erklärung des Kugelblitzes, der manchmal nach einer starken Entladung eines linearen Blitzes auftritt. Meist handelt es sich dabei um eine leuchtende Kugel mit einem Durchmesser von 10 – 20 Zentimetern. Oft ähnelt es „einem mittelgroßen Kätzchen, das zu einer Kugel zusammengerollt ist und ohne Hilfe seiner Beine rollt“. Kugelblitze können beim Berühren von Gegenständen explodieren und erhebliche Zerstörungen verursachen.

Kugelblitze sind vielleicht das einzige makroskopische Phänomen auf der Erde, für das es noch keine verlässliche Erklärung gibt. Eine kugelförmige Entladung kann im Labor nicht erreicht werden. Das ist der springende Punkt.

Das Feuer des Heiligen Elmo

Vor oder während eines Gewitters blitzen oft quastenartige Lichtkegel auf den Spitzen und scharfen Ecken hocherhabener Objekte auf. Diese langsame und friedliche Entladung wird seit der Antike Elmsfeuer genannt.

Sie können auch bei Titus Livius lesen, dass, als Lysanders Flotte den Hafen verließ, um die Athener anzugreifen, Lichter an den Masten der Galeere des Admirals aufleuchteten. Die Alten betrachteten das Erscheinen der Lichter von Elmo als gutes Omen.

Besonders häufig werden Kletterer von diesem Phänomen beobachtet. Manchmal sind nicht nur Metallgegenstände, sondern auch die Haarspitzen auf dem Kopf mit kleinen leuchtenden Federn verziert. Wenn Sie Ihre Hand heben, spüren Sie das charakteristische Brennen als elektrischen Strom, der aus Ihren Fingern fließt. Oft beginnen Eispickel zu summen wie eine große Hummel.

St. Elmo's Fire ist nichts anderes als eine Form der Koronaentladung, die leicht im Labor erzeugt werden kann. Eine geladene Wolke induziert auf der darunter liegenden Erdoberfläche elektrische Aufladungen entgegengesetztem Vorzeichen. An den Spitzen sammelt sich eine besonders große Ladung an. Wenn die elektrische Feldstärke einen kritischen Wert von 30.000 V/cm erreicht, beginnt die Entladung. Die in der Nähe der Spitze durch die übliche Ionisierung der Luft entstehenden Elektronen werden durch das Feld beschleunigt und zerstören beim Zusammenstoß mit Atomen und Molekülen diese. Die Zahl der Elektronen und Ionen nimmt lawinenartig zu und die Luft beginnt zu glühen.

Elektrische Ladung der Erde

Eine Gewitterwolke behält ihre Ladung nicht lange. Ein paar Blitze schlagen ein und die Wolke entlädt sich. Die Ladung des Globus bleibt unverändert, wenn man nicht auf geringfügige Schwankungen achtet. An der Erdoberfläche ist das elektrische Feld nicht so klein: 130 V/m. Auf den ersten Blick ist das ziemlich seltsam. Aufgrund der atmosphärischen Ionen leitet die Luft Elektrizität, und Berechnungen zeigen, dass der Globus in etwa einer halben Stunde vollständig entladen sein sollte. Daher besteht die Hauptschwierigkeit nicht darin, den Ursprung der Ladung herauszufinden, sondern darin, zu verstehen, warum sie nicht verschwindet.

Es gibt zwei Gründe für die Wiederherstellung der Ladung der Erde. Zuerst schlägt ein Blitz ein. Pro Tag ereignen sich auf der Erde mehr als 40.000 Gewitter und pro Sekunde schlagen etwa 1.800 Blitze ein. Der untere Teil der Wolke trägt eine negative Ladung und daher ist ein Blitzeinschlag die Übertragung eines Teils der negativen Elektrizität auf den Globus.

Gleichzeitig entstehen bei einem Gewitter Strömungen aus zahlreichen spitzen Gegenständen (Elmsfeuer), die der Erdoberfläche eine positive Ladung entziehen.

Es ist schwierig, hier eine Balance zu finden, aber im Allgemeinen gilt: scheinbar, Enden kommen. Der Verlust negativer Ladung in Bereichen der Erdoberfläche, über denen ein klarer Himmel herrscht, wird durch den Zustrom negativer Ladungen an Orten ausgeglichen, an denen Gewitter toben.

Woher kommt die Ladung der Erde und warum ist sie negativ? Hier müssen wir spekulieren. Laut Frenkel entstand zunächst eine kleine Belastung aus zufälligen Gründen. Anschließend begann es aufgrund des diskutierten „Gewittermechanismus“ zu wachsen, bis sich ein dynamisches Gleichgewicht einstellte, das bis heute besteht.

Die Ladung könnte zunächst positiv sein. Dann wären die Wassertropfen der Gewitterwolke unterschiedlich polarisiert und der Blitz würde der Erde eine positive Ladung verleihen. Im Allgemeinen wäre alles so wie jetzt, aber nur die Rollen positiver und negativer Ladungen würden sich ändern.

Das Erdmagnetfeld erregte die Aufmerksamkeit der Menschen viel früher als das elektrische Feld. Es ist äußerst einfach zu erkennen, aber seine Rolle im Leben unseres Planeten beschränkt sich bei weitem nicht darauf, seinen Bewohnern mit Hilfe eines Kompasses den richtigen Weg im weiten Ozean, in der Taiga oder in der Wüste zu finden.

Wenn das elektrische Feld praktisch nicht über die unteren Schichten der Atmosphäre hinausreicht, reicht das magnetische Feld bis zu 20 – 25 Erdradien. Erst in einer Höhe von 100.000 Kilometern spielt es keine nennenswerte Rolle mehr und nähert sich der Größenordnung des Feldes des interplanetaren Raums.

Das Magnetfeld bildet neben der Atmosphäre und der Ionosphäre den dritten „Panzergürtel“, der die Erde umgibt. Das Auge lässt keine Ströme kosmischer Teilchen zur Erde gelangen, es sei denn, ihre Energie ist zu hoch. Nur in der Region magnetische Pole Diese Partikel können leicht in die Atmosphäre gelangen.

An Hohe Höhe Das Magnetfeld ist klein, deckt aber weite Bereiche des Weltraums ab. Wenn es über einen längeren Zeitraum auf ein geladenes Teilchen einwirkt, verändert es dessen Flugbahn erheblich. Statt einer geraden Linie windet sich eine Spirale darum Stromleitungen Felder. Entlang der Kraftlinien treibt das Magnetfeld Teilchen in Richtung der Pole. Manchmal jedoch, wenn die Geschwindigkeit des Teilchens hoch ist, hat es nicht einmal Zeit, auch nur eine Umdrehung zu machen, und dann können wir nur über die Krümmung der Flugbahn sprechen.

Gemäß dem Ampereschen Gesetz wird ein entlang einer Feldlinie fliegendes Teilchen nicht von einem Magnetfeld beeinflusst. Deshalb können Teilchen frei zu den Polen fliegen, von wo aus sich die Kraftlinien auffächern. Es ist nicht überraschend, dass Korpuskularströme von der Sonne die oberen Schichten des Luftozeans hauptsächlich an den Polen zum Leuchten bringen.

Übrigens erzeugen diese Partikelströme selbst erhebliche Magnetfelder und verursachen „magnetische Stürme“, bei denen die Kompassnadel hilflos zu huschen beginnt.

Die Strahlungsgürtel der Erde, die vor relativ kurzer Zeit mit Hilfe von Weltraumraketen entdeckt wurden, sind nichts anderes als geladene Teilchen nicht zu hoher Energie, die von einer von unserem Planeten aufgestellten Magnetfalle eingefangen werden. Es ist das Magnetfeld, das Schwärme geladener Teilchen in großer Höhe festhält, wie Halos, die die Erde umgeben. Im äußeren Gürtel dominieren Elektronen und im inneren Gürtel dominieren Protonen, wo die Feldstärke größer ist. Für Astronautenflüge in großen Höhen stellen diese Gürtel eine echte Gefahr dar.

Globus - sphärischer Dynamo

Der Ursprung des Erdmagnetismus ist eine noch verwirrendere Frage als der Ursprung des elektrischen Feldes. Es kann nicht durch die Ansammlung magnetisierter Gesteine ​​erklärt werden. Interessante Idee Frenkels Theorie, die vor relativ kurzer Zeit aufgestellt wurde, ermöglicht es uns offenbar, hier etwas zu verstehen. Der Erdkern ist ein Generator für elektrischen Strom, der wie ein herkömmlicher Dynamo nach dem Prinzip der Selbsterregung arbeitet.

Es wird Ihnen wahrscheinlich nicht schwerfallen, sich an dieses Prinzip zu erinnern. In Dynamos entsteht Strom, wenn sich Leiter in einem Magnetfeld bewegen, das wiederum durch denselben Strom erzeugt wird. Wenn zunächst kein Strom vorhanden ist, erscheint er ab einer bestimmten Drehzahl und beginnt zuzunehmen. Schließlich bleibt immer ein kleines Restfeld übrig. Es entsteht ein Strom, der das Magnetfeld leicht erhöht. Dadurch erhöht sich der Strom und damit das Magnetfeld usw. bis zu einem bestimmten Grenzwert.

Um den Globus mit einem Generator vergleichen zu können, müssen wir zunächst davon ausgehen, dass der Erdkern flüssig und in der Lage ist, elektrischen Strom zu leiten. An diesen Annahmen ist nichts Unglaubliches. Doch woher können die Bewegungen der leitenden Massen des Kerns kommen? Bei einem Dynamo drehen wir einfach den Anker, hier gibt es aber keine äußeren Einflüsse.

Es kann jedoch ein Ausweg gefunden werden. Auf Kosten der radioaktiver Zerfall Bei instabilen Elementen sollte die Temperatur in der Mitte des Kerns etwas höher sein als an seiner Peripherie. Aus diesem Grund kommt es zu Konvektion: Heißere Massen strömen aus der Mitte des Kerns nach oben und kältere Massen sinken nach unten. Aber die Erde dreht sich und die Geschwindigkeit der Massen an der Oberfläche des Kerns ist größer als in ihren Tiefen. Daher verlangsamen aufsteigende Flüssigkeitselemente die Rotation der äußeren Schichten des Kerns, während absteigende Elemente im Gegenteil die inneren Schichten beschleunigen. Ergebend Innenteil Der Kern dreht sich schneller als der äußere und fungiert als Generatorrotor, während der äußere als Stator fungiert.

In einem solchen System sind, wie Berechnungen zeigen, Selbsterregung und das Auftreten von Wirbelströmen erheblicher Stärke möglich.

Diese Ströme erzeugen nach Frenkels Hypothese ein Magnetfeld um die Erde!

Die Energie zur Aufrechterhaltung des Stroms wird aus der radioaktiven Erwärmung der Substanz gewonnen, wodurch Konvektionsströme im Kern entstehen.

Ob dies tatsächlich der Fall ist, lässt sich nur schwer sagen. Auf jeden Fall ist es richtiger, die Erde als „großen Dynamo“ denn als „großen Magneten“ zu bezeichnen, wie es in vielen Büchern geschieht.

Das Magnetfeld umgibt nicht nur die Erde, sondern kann auch um andere Planeten und Sterne existieren. Es drückt „seinen Stempel“ auf Lichtwellen, emittiert von den Atomen der Sonne und der Sterne, und gibt den Physikern so die Möglichkeit, sich selbst zu entdecken.

Der Mond verfügt, wie Messungen unserer und amerikanischer Wissenschaftler gezeigt haben, über kein Magnetfeld. Venus hat es auch nicht. Der Mars hat zwar ein Magnetfeld, aber es ist sehr schwach, mindestens 1000-mal schwächer als das der Erde. Dies wurde mit Hilfe unserer Weltraumorbitalstationen Mars 2 und Mars 3 festgestellt.

Weltraumelektrodynamik

Nachdem wir begonnen hatten, über die Magnetfelder von Planeten und Sternen zu sprechen, betraten wir leise ein neues Gebiet, das Gebiet der kosmischen Elektrodynamik. Hier gibt es noch wenig Verlässliches; viel weniger als verschiedene Hypothesen. Aber vieles, was gestern noch eine interessante Vermutung war, wird heute fast zu einer verlässlichen Tatsache. Die Hauptsache ist, dass sich herausstellte, dass elektromagnetische Kräfte im Weltraum keine geringe Rolle spielen, wie bisher angenommen.

Die tosende Oberfläche und Atmosphäre der Sonne ... Riesige Zungen heißer Materie steigen in die Höhe. Wirbelstürme und Tornados von der Größe unseres Planeten. Stürme, Dauerstürme, aber feurig, funkelnd. Stürme nicht nur der Materie, sondern auch des Magnetfeldes.

Manchmal tauchen paarweise schwarze Flecken aus den Tiefen der Sonne auf. Das Magnetfeld in diesen Bereichen erhöht sich um das Tausendfache.

Enorme Kräfte schleudern manchmal ganze Bündel geladener Teilchen aus der Sonne. Sie überwinden die Schwerkraft und stürzen mit einer Geschwindigkeit von mehreren tausend Kilometern pro Sekunde in die Erdatmosphäre.

Für einen Physiker ist es schwierig, hier ein Muster, eine Ordnung zu erkennen. Es ist schwierig, die Natur der Kräfte in einer rotierenden Materiemasse zu verstehen. Dies geschieht weit, sehr weit entfernt und entspricht überhaupt nicht dem, was wir auf unserem Planeten sehen können.

Schwierig, aber nicht unmöglich. Bei den auf der Sonne herrschenden Temperaturen kann es weder neutrale Atome noch neutrale Moleküle geben. Sie können einfach nicht überleben, genauso wie eine Dampflokomotive, die mit voller Geschwindigkeit in einen entgegenkommenden Zug kracht, nicht überleben kann.

Und solch ein vollständig ionisiertes Gas oder vollständig ionisiertes Plasma, wie Physiker sagen, leitet elektrischen Strom perfekt. Dadurch ist es möglich, dass elektromagnetische Kräfte ihre Kraft in einem neuen Feld entfalten und entfalten können.

In einem Magnetfeld werden in einem bewegten Hochtemperaturplasma elektrische Ströme beträchtlicher Stärke angeregt. Aufgrund ihrer guten Leitfähigkeit neigen sie nicht zur Dämpfung. Daher kommt in einem Medium neben den üblichen elastischen Kräften den Kräften der magnetischen Wechselwirkung von Strömen eine nicht geringere Bedeutung zu. Und wenn die Bewegung eines einfachen Mediums durch die Gesetze der Hydrodynamik beschrieben wird, dann herrscht hier die magnetische Hydrodynamik.

Natürlich sind wir noch sehr weit davon entfernt, alles zu verstehen, was auf der Sonne passiert. Es besteht jedoch die Gewissheit, dass die Hauptphänomene, die vom Ausstoß ganzer Materiemassen bis zum Auftreten von Sonnenflecken reichen, auf magnetische Wechselwirkungen zurückzuführen sind.

Und nicht nur das! Interstellares Gas wird durch Strahlung stark ionisiert. Seine Dichte ist gering (1 Teilchen pro Kubikzentimeter), was jedoch durch die enorme Größe der Wolken ausgeglichen wird. Elektrische Ströme und dementsprechend magnetische Felder in ihnen können nicht ignoriert werden.

Bewegte Wolken füllen die gesamte Galaxie und daher ist die gesamte Galaxie mit einem Magnetfeld gefüllt. Und nicht nur die Galaxie selbst, sondern auch benachbarte Regionen des Weltraums.

Die Magnetfelder sind hier nicht stark und wir können sie nicht direkt wahrnehmen. Aber wir wissen, dass es sie gibt! Woher?

Radioemission der Galaxie und kosmische Strahlung

Wenn wir Radiowellen sehen könnten, würden nicht eine, sondern drei Sonnen (genauer gesagt „Radiosonnen“) am Himmel funkeln. Einer von ihnen befindet sich im Sternbild Kassiopeia, der andere im Sternbild Schwan und schließlich ist dies unsere gewöhnliche Sonne *. Aber darüber hinaus würden wir viele weniger helle „Radiosonnen“ und schwaches gestreutes „Radiolicht“ bemerken, die aus allen Ecken der Galaxie und sogar von scheinbar leeren Orten in der Nähe zu uns kommen.

* (Die Sonne ist ein gewöhnlicher Stern und nur ihre Nähe zu uns ermöglicht es ihr, in der „Radiohelligkeit“ mit den ersten beiden Quellen zu konkurrieren, die unermesslich stärker sind als die Sonne.)

Einige Radiowellen entstehen durch Kollisionen geladener Teilchen heißen Gases. Dabei handelt es sich um thermische Strahlung (Bremsstrahlung). Es kann uns nichts über die Magnetfelder der Galaxie sagen. Aber es gibt noch einen anderen, nicht-thermischen Teil, dessen Wiege das Magnetfeld ist. Es umhüllt schnelle kosmische Elektronen, und diese Elektronen, die sich spiralförmig drehen, senden elektromagnetische Wellen aus, so wie ein hektisch rotierender Schleifstein Funken um sich herum streut, wenn man seine Oberfläche mit der Messerklinge berührt. Man kann argumentieren, dass es dort, wo Radiowellen entstehen, zwangsläufig auch Magnetfelder gibt!

Doch woher kommen schnelle Elektronen im Weltraum? Sie erzeugen Radioemissionen, und wo es besonders starke Radiowellenquellen gibt, müssen wir nach Weltraumbeschleunigern suchen. Dies bedeutet, dass es sich bei den besprochenen fernen, leistungsstarken „Radiosonnen“ hauptsächlich um solche kosmischen Beschleuniger handelt.

Wir sind an die ruhigen Tiefen eines klaren Nachthimmels gewöhnt. Nichts scheint so unerschütterlich und ewig wie der „harmonische Chor“ der Himmelskörper. Im Allgemeinen ist es so. Aber manchmal passieren Katastrophen; Katastrophen rein kosmischen Ausmaßes. Ein Stern, der seit Milliarden von Jahren sein normales Leben geführt hat, beginnt aus unbekannten Gründen plötzlich ungeheuerlich anzuschwellen. (Wenn dies unserer Sonne * passieren würde, würden sich sehr bald die Umlaufbahnen aller Planeten in ihr befinden.) Die Helligkeit des Sterns (man nennt ihn Supernova) nimmt um das Hundertmillionenfache zu, und man kann ihn in der Sonne sehen Himmel am helllichten Tag. Allmählich nimmt die Helligkeit ab und anstelle des Sterns verbleibt eine nebulöse Wolke, die mit einem Teleskop manchmal schwer zu erkennen ist.

* (Eine solche Explosion stellt für die Sonne keine wirkliche Gefahr dar. Seine Masse ist zu gering.)

Wir hoffen, dass jeder mehr oder weniger versteht, wie hoch die Spannung in einem Stromnetz ist. Hier hat das Wort Spannung genau die gleiche Bedeutung.

In der Galaxie mit ihren Milliarden Sternen wird ein solcher Ausbruch alle 100 – 200 Jahre beobachtet. Seit der Erfindung des Teleskops ist keine einzige Supernova aufgetreten.

„Radiosonnen“ sind also größtenteils Überreste Supernovae. Lediglich in Richtung des Sternbildes Schwan beobachten wir vermutlich Spuren einer noch gewaltigeren Katastrophe; die Explosion einer ganzen Galaxie ähnlich unserer.

Man kann sich vorstellen, dass geladene Teilchen (Elektronen, Protonen und Atomkerne) ihre anfängliche Beschleunigung durch die riesige Stoßwelle erhalten, die die Supernova-Explosion begleitet. Anschließend beginnen elektromagnetische Kräfte zu wirken. Zunehmende Magnetfelder induzieren ein elektrisches Feld. Dieses Feld mag zwar nicht so groß sein, aber aufgrund seiner kosmischen Dimensionen beschleunigt es einzelne Teilchen auf Energien, die für von Menschen hergestellte Beschleuniger noch nicht verfügbar sind.

Ein Teil der kosmischen Strahlung wird von den weniger starken induktiven elektrischen Feldern der Sonne und anderer Sterne geliefert.

Es gibt wahrscheinlich einen anderen Mechanismus zur Beschleunigung kosmischer Teilchen. Wenn eine sich bewegende magnetisierte Wolke aus interstellarem Gas auf ein schnelles Teilchen trifft, kommt es zu einem Prozess, der dem Zusammenstoß zweier Kugeln ähnelt. Nur die Rolle gewöhnlicher elastischer Kräfte spielt die Wechselwirkung des Teilchens mit dem elektrischen Induktionsfeld, das durch das mit dem Gas bewegte Magnetfeld erzeugt wird. Bei einer solchen Kollision sollte die Energie des Teilchens zunehmen, genau wie es passiert, wenn eine leichte Kugel mit einer sehr schweren kollidiert. Nach große Zahl Durch Kollisionen kann das Teilchen erhebliche Energie gewinnen.

Die zufälligen Magnetfelder der Galaxie beschleunigen nicht nur kosmische Teilchen, sondern streuen sie auch. Dadurch treffen sie bereits von allen Seiten gleichmäßig auf der Erde ein und nicht nur dort, wo sie beschleunigt werden. Superstarke Teilchen fliegen auf uns zu, wahrscheinlich aus benachbarten Galaxien.

Wir können nicht behaupten, dass alles auf der Welt so und nur so geschieht, wie wir es Ihnen gerade gesagt haben. Das ist nur das Natürlichste moderner Punkt Bild ansehen elektromagnetische Phänomene im Universum. Es ist, wie Sie sehen können, in sehr großen Strichen geschrieben. Und das lag nicht nur daran, dass das Bild sehr groß ist. Die Einzelheiten der Phänomene bleiben für die Künstler-Wissenschaftler selbst unklar. Und die „Farbe“ auf dem Gemälde ist noch nicht „getrocknet“: Das Gemälde wurde erst vor kurzem, vor einigen Jahren, geschaffen, und nur seine Integrität gibt uns Hoffnung, dass es grundsätzlich korrekt ist.

Während sich im Weltraum die ihm angemessenen majestätischen Phänomene abspielten, wurde das „kleine freundliche Team“ (wie sich die Autoren selbst nannten) in einer der Moskauer Wohnungen von Widersprüchen zerrissen. Zu diesem Zeitpunkt war die Arbeit an dem Buch bereits im Gange Voller Schwung, wurde den Autoren klar, dass ihre Positionen, gelinde gesagt, nicht vollständig übereinstimmen.

Der Kern des Streits ermöglicht, wie sich aus dem Folgenden ergibt, die Zuordnung des Namens Krotky (abgekürzt) zu einem der Mitautoren ZU) und hinter dem anderen - Spitzmaus (abgekürzt MIT).

ZU. Du weißt, wie sehr ich dich respektiere! Aber was machst du?

Anstelle einer beiläufigen Geschichte über das Wesen der Kräfte registrieren Sie, nachdem Sie sich in einen Archivar verwandelt haben, gewissenhaft und mit unnötigen Details alle Manifestationen elektromagnetischer Kräfte, die Sie kennen. Darüber hinaus suchen Sie in Büchern nach Beschreibungen von Manifestationen von Kräften, die Sie, entschuldigen Sie, überhaupt nicht kennen.

Hat unser Leser beim Kauf des Buches davon geträumt? Was denkst du, braucht er noch ein Lehrbuch?

MIT. Verzeihen Sie mir, aber da das Buch nicht vom Ministerium genehmigt wurde, ist es noch kein Lehrbuch. Und außerdem: Haben wir nicht versprochen, über die Kräfte in der Natur zu sprechen? Es geht um die Kräfte, die jeden von uns umgeben. Es ist unmöglich, es gibt keine Möglichkeit, Reibung, Elastizität, chemische Kräfte usw. zu umgehen. Schließlich schreiben wir nicht für junge Philosophen, die nur die Grundlagen wissen wollen und sich nicht für das interessieren, was um uns herum, über und unter uns passiert uns jeden Tag.

ZU. Ich glaube, Sie haben große Absichten. Aber wenn Sie Ihrem Weg folgen, müssen Sie beispielsweise nicht nur über die Reibung in Flüssigkeiten im Allgemeinen sprechen, sondern auch über die Reibung einer Kugel, eines Zylinders, eines Würfels usw. Dann ist alles geklärt.

Natürlich übertreibe ich ein wenig, aber Sie haben zweifellos den Wunsch, die Dinge zu klären.

MIT. Was schlagen Sie vor, um dem alten Witz zu folgen, in dem der gelehrte Sohn seine Eltern und alle um ihn herum mit der extremen wissenschaftlichen Lakonizität seiner Antworten verblüffte? Auf alle Fragen: Was, Wie und Warum antwortete er kurz – das ist Elektrizität.

Und sollten wir schreiben: Elastizität ist Elektrizität; Reibung ist auch Elektrizität; chemische Kräfte sind elektrische Kräfte usw.

ZU. Und schauen Sie, was Sie haben. Hier ist die Struktur von Gasen zusammen mit Flüssigkeiten (die jedem bekannt ist) und die Eigenschaften der Kräfte in Kristallen (die nur wenige Menschen kennen, aber für fast niemanden von Interesse sind) ...

Wenn Sie immer noch darüber schreiben möchten, schreiben Sie. Aber schreiben Sie so, dass der Leser nicht einschläft oder das Buch weit weg wirft.

MIT. Ja, Sie müssen verstehen, dass das schwierig, sehr schwierig ist.

Es ist interessanter und einfacher, beispielsweise über die Relativitätstheorie zu schreiben als über chemische Kräfte. Außerdem müsste über jede Art elektromagnetischer Kraft ein ganzes Buch geschrieben werden. Obwohl ich mich kurz fassen möchte, ist es schwierig, nicht langweilig zu sein.

ZU. Es ist nicht nur interessanter, über die Relativitätstheorie zu schreiben, es ist auch interessanter, darüber zu lesen.

MIT. Nun, lassen Sie diesen Teil des Buches eine Enzyklopädie sein, aber eine Enzyklopädie, dennoch (ich schmeichle mir) eher für eine nicht zu anstrengende Lektüre geeignet.

ZU. Ich sehe, dass du hartnäckig bleibst. Aber in Ihrer Geschichte gibt es unter anderem nicht einmal eine elementare Konsistenz. Nach der kosmischen Strahlung möchten Sie direkt zum elektrischen Fisch übergehen.

MIT. Na und? Fische, also Fische. Wer sich nicht dafür interessiert, liest sie vielleicht nicht.

Und ganz allgemein: Warum schreiben wir nicht im Vorwort, dass jeder Leser aus den Abschnitten des Kapitels „Elektromagnetische Kräfte in Aktion“ nur diejenigen auswählen kann, die ihn interessieren? Im schlimmsten Fall lesen Sie dieses Kapitel überhaupt nicht.

ZU. Hmm ... da du so stur bist, scheint dies wirklich die einzige Option zu sein.

MIT. Seien Sie nicht zu verärgert. Es gibt auch einen Redakteur. Er wird sagen: Wirf alles weg – wir werden es wegwerfen.

Elektrischer Fisch

Also, elektrischer Fisch. Dies sind einzigartige Kreaturen, die sich von ihren Artgenossen dadurch unterscheiden, dass sie lebende galvanische Elemente in sich tragen. Der von ihnen erzeugte elektrische Strom dient als Verteidigungs- oder Angriffsmittel.

Interessant ist, dass es unter den fossilen Fischen viel mehr elektrische Fische gab als unter den lebenden Fischen. Offenbar erwies sich der explizite Einsatz elektromagnetischer Kräfte als nicht so effektiv wie die Verbesserung der Kräfte, die sich implizit manifestieren: vor allem der Muskelkräfte.

Der auffälligste Vertreter der Rasse, die uns interessiert, ist der elektrische Stachelrochen. Dieser Fisch lebt darin warme Meere, wiegt etwa 100 Kilogramm und erreicht eine Länge von etwa zwei Metern. Seine elektrischen Organe an den Seiten seines Kopfes wiegen mehr als ein Pfund. Ein unermüdlicher Stachelrochen kann bei einer Spannung von 300 Volt einen Strom von 8 Ampere erzeugen. Dies stellt eine ernsthafte Gefahr für den Menschen dar.

Von Elektrofischen kann man kaum eine große Stromempfindlichkeit erwarten. Tatsächlich erträgt der Stachelrochen problemlos Stress, der für andere Fische tödlich ist.

Die elektrischen Organe des Stachelrochens ähneln in ihrer Struktur überraschenderweise einer Batterie galvanischer Zellen. Sie bestehen aus zahlreichen säulenförmig zusammengesetzten Platten (Reihenschaltung von Elementen), die in vielen Reihen nebeneinander angeordnet sind (Parallelschaltung).

Eine Seite der Platte ist glatt und trägt eine negative Ladung. Der andere mit hervorstehenden Papillen ist positiv geladen. Wie erwartet ist das gesamte Gerät von elektrisch isolierendem Stoff umhüllt.

Wir werden nicht versuchen, uns mit dem Mechanismus der Erzeugung elektromotorischer Kraft in den Organen des Stachelrochens zu befassen, genauso wie wir zu einem bestimmten Zeitpunkt das Funktionsprinzip einer herkömmlichen galvanischen Zelle nicht verstanden haben (wir werden Ks Rat befolgen). Hier gibt es noch viele Unbekannte. Mit Sicherheit lässt sich nur eines sagen: Die Funktionsweise elektrischer Organe beruht auf chemischen Kräften, wie bei einer galvanischen Zelle.

Auch unter den Elektrofischen werden wir unseren Bekanntenkreis nicht erweitern.

Es ist unmöglich, einen weiteren bemerkenswerten Bewohner des Nils zu erwähnen – Mormyrus oder Wasserelefant. Dieser Fisch ist mit einem erstaunlichen Ortungsgerät ausgestattet. An der Basis seines Schwanzes befindet sich ein Wechselstromgenerator, der Impulse mit einer Frequenz von mehreren hundert Schwingungen pro Sekunde sendet. Umliegende Objekte verzerren das elektromagnetische Feld um den Mormyrus herum, was vom Empfangsgerät auf seinem Rücken sofort erkannt wird. Die Empfindlichkeit des Ortungsgeräts ist ungewöhnlich hoch. Mormyrus kann nicht in einem Netz gefangen werden. Im Aquarium fängt er an zu hetzen, sobald man ihm mehrmals mit dem Kamm durch die Haare fährt.

Wie der Locator funktioniert, ist noch nicht geklärt. Es besteht die Hoffnung, dass eine detaillierte Untersuchung dieses Problems dazu beitragen wird, eine elektromagnetische Kommunikation unter Wasser zu etablieren, die aufgrund der hohen Dämpfung bisher nicht möglich war. Elektromagnetische Wellen im Wasser.

Die Natur des Nervenimpulses

Letztlich sind Stachelrochen und ähnliche Fische mit all ihrer elektrischen Ausrüstung nichts weiter als eine Laune der Natur. Die Natur hat der freien Elektrizität in lebenden Organismen eine unvergleichlich bedeutendere Rolle zugewiesen. Diese Elektrizität dient als Kommunikationsleitung, die von den Sinnen „Telegramme“ über alles, was auf der Welt geschieht, an das Gehirn übermittelt. Außenwelt und Reaktionsbefehle vom Gehirn an alle Muskeln und alle inneren Organe.

Nerven durchdringen den gesamten Körper mehr oder weniger perfekter Lebewesen, und dank ihnen agiert der Körper als ein Ganzes, manchmal mit erstaunlicher Absicht. Sobald der zu einem Muskel führende Nerv durchtrennt ist, wird er gelähmt, so wie ein Motorzylinder nicht mehr funktioniert, wenn das Kabel, das Stromimpulse an die Zündkerze überträgt, kaputt ist.

Dies ist nicht nur eine oberflächliche Analogie. Seit Galvani ist bekannt, dass das an Nervenfasern übertragene Signal (Nervenimpuls) ein kurzfristiger elektrischer Impuls ist. Es stimmt, die Situation ist bei weitem nicht so einfach, wie man meinen könnte. Der Nerv ist kein passiver Kanal mit hoher Leitfähigkeit wie ein gewöhnlicher Metalldraht. Es ähnelt vielmehr einer sogenannten Relaisleitung in der Technik, bei der das eingehende Signal nur an benachbarte Abschnitte der Leitung übertragen wird, dort verstärkt wird und erst dann weiter gleitet, dort erneut verstärkt wird usw. Dadurch wird die Das Signal kann trotz natürlicher Dämpfung über große Entfernungen ohne Dämpfung übertragen werden.

Was ist ein Nerv? Von R. Gerard können Sie lesen: „Wenn die Spinne, die wir vom Boden aus an einem Netzfaden auf der Höhe eines sechsstöckigen Gebäudes hängen sehen, um etwa einen weiteren Faktor zwanzig verkleinert würde (einschließlich des Fadens, an dem … es hängt), es würde einer Nervenzelle oder einem Neuron sehr ähneln, weder in seiner Größe noch in anderen Merkmalen ... Allerdings ist ein Neuron im Gegensatz zu gewöhnlichen, uninteressanten Zellen. hat nicht nur einen Zellkörper – er sendet dünne fadenförmige Strukturen zur Erforschung entfernter Körperteile aus ... Allerdings hat ein dünner Fortsatz einen Durchmesser von weniger als 0,01 Millimetern Wie vom Fernweh besessen, erstreckt es sich vom Neuron über enorme Entfernungen, gemessen in Zentimetern und sogar Metern.

Im Gehirn sind alle Neuronen des Zentralnervensystems zusammengefasst Rückenmark, wo sie sich bilden graue Substanz... Und nur lange Fortsätze – Axone verbinden sie mit dem Rest des Körpers. Bündel dieser Axone oder Axialfortsätze erstrecken sich nahe beieinander Nervenzellen, Nerven bilden.“ Eine spezielle Substanz, Myelin, umhüllt die meisten Axone mit einer dünnen Schicht, so wie sich Isolierband um einen elektrischen Draht wickelt.

Das Axon selbst kann man sich vereinfacht als eine lange zylindrische Röhre mit einer Oberflächenmembran vorstellen, die zwei wässrige Lösungen unterschiedlicher Art trennt chemische Zusammensetzung und unterschiedliche Konzentrationen. Die Membran ist wie eine Wand mit einer Vielzahl halboffener Türen, durch die sich Ionen von Lösungen nur mit großer Mühe hindurchzwängen können. Das Erstaunlichste und Unverständlichste ist, dass das elektrische Feld „diese Türen schließt“ und sie sich durch seine Schwächung weiter öffnen.

Im Ruhezustand herrscht im Axon ein Überschuss an Kaliumionen; draußen - Natriumionen. Negative Ionen konzentrieren sich hauptsächlich auf der Innenfläche der Membran und sind daher negativ geladen, während die Außenfläche positiv geladen ist.

Wenn der Nerv gereizt ist, kommt es zu einer teilweisen Depolarisation der Membran (eine Abnahme der Ladungen auf ihren Oberflächen), was zu einer Abnahme des elektrischen Feldes in ihr führt. Dadurch öffnen sich die „Türen“ für Natriumionen leicht und sie beginnen, in die Faser einzudringen. Schließlich wird das Innere des Axons an dieser Stelle positiv geladen.

So entsteht ein Nervenimpuls. Streng genommen handelt es sich dabei um einen Spannungsimpuls*, der durch den Stromfluss durch die Membran entsteht.

* (Wir hoffen, dass jeder mehr oder weniger versteht, wie hoch die Spannung in einem Stromnetz ist. Hier hat das Wort Spannung genau die gleiche Bedeutung.)

In diesem Moment öffnen sich die „Türen“ für Kaliumionen. Sie gelangen an die Oberfläche des Axons und stellen nach und nach die Spannung (ca. 0,05 Volt) wieder her, die der nicht erregte Nerv hatte.

Gleichzeitig dringen einige der Ionen aus dem Nachbargebiet „durch die Türen der Nachbarn ein“. Dadurch beginnt auch hier das Feld schwächer zu werden und der gesamte Vorgang wiederholt sich in einem neuen Abschnitt des Axons. Dadurch bewegt sich ein Nervenimpuls mit einer Geschwindigkeit von etwa 120 Metern pro Sekunde entlang des Nervs einer Person zum Gehirn, ohne abzuschwächen.

Natrium- und Kaliumionen, die während des Pulsdurchgangs aus ihrer Heimat verdrängt werden, kehren aufgrund chemischer Prozesse, deren Mechanismus noch nicht geklärt ist, nach und nach direkt durch die Wand zurück.

Es ist eine bewundernde Überraschung, dass alles Verhalten höherer Tiere, alle kreativen Anstrengungen des menschlichen Gehirns letztlich auf diesen extrem schwachen Strömen und feinsten, mikroskopisch kleinen chemischen Reaktionen beruhen.

Bioströme des Gehirns

Hier berühren wir das Allerheiligste der belebten Natur – das menschliche Gehirn. Im Gehirn laufen ständig elektrische Prozesse ab. Werden Metallplatten auf Stirn und Hinterkopf gelegt und über einen Verstärker mit einem Aufnahmegerät verbunden, können kontinuierlich elektrische Schwingungen der Großhirnrinde aufgezeichnet werden*. Ihr Rhythmus, ihre Form und ihre Intensität hängen maßgeblich vom Zustand der Person ab.

* (Schwingungen werden nicht nur im menschlichen Gehirn, sondern auch im Gehirn von Tieren beobachtet.)

Im Gehirn eines Menschen, der ruhig mit geschlossenen Augen sitzt und an nichts denkt, treten etwa 10 Schwingungen pro Sekunde auf. Wenn eine Person ihre Augen öffnet, verschwinden die Gehirnwellen und erscheinen wieder, wenn die Augen geschlossen werden. Wenn eine Person einschläft, verlangsamt sich der Vibrationsrhythmus. Aufgrund der Art der Schwingungen können Sie den Zeitpunkt des Beginns und Endes des Traums sehr genau bestimmen.

Bei Erkrankungen des Gehirns der Charakter elektrische Schwingungenändert sich besonders stark. Somit können pathologische Schwankungen der Epilepsie als sicheres Krankheitszeichen dienen.

All dies beweist, dass sich Gehirnzellen in einem Zustand ständiger Aktivität befinden große Mengen Sie, wie Gerard es ausdrückt, „schwingen zusammen wie die Geigen eines riesigen Orchesters.“ Nervenimpulse, die ins Gehirn gelangen, folgen keinen ausgetretenen Pfaden, sondern verändern das Gesamtbild der Schwingungsverteilung in der Großhirnrinde.

Das Muster der elektrischen Aktivität im Gehirn verändert sich mit zunehmendem Alter im Laufe des Lebens und beim Lernen.

Es muss davon ausgegangen werden, dass elektrische Schwingungen nicht einfach die Arbeit des Gehirns begleiten, wie Lärm – die Bewegung eines Autos, sondern der wesentlichste Moment seiner gesamten Lebensaktivität sind. In einem elektronischen Computer, der einzelne Funktionen des Gehirns noch besser ausführen kann als das Gehirn selbst, bestimmen elektromagnetische Prozesse die gesamte Arbeit.

Es muss betont werden, dass jede Empfindung, jeder Gedanke keineswegs seiner eigenen, spezifischen Schwingung entspricht. Anhand der Form elektrischer Schwingungen können wir noch nicht erkennen, woran ein Mensch denkt.

Welche Funktionen diese Prozesse im Gehirn erfüllen, wissen wir noch nicht. Aber sie zeigen deutlich, dass die materielle Grundlage des Denkens elektromagnetische Prozesse in der am höchsten organisierten Materie sind, die die Natur auf unserem Planeten geschaffen hat.

Der Mechanismus ist Konvektion und Ladungstrennung in Wolken. Einen schnellen Überblick über das Problem finden Sie hier: Earle R. Williams. Kommentar zu „Aktuelles Budget des atmosphärischen elektrischen globalen Kreislaufs“ von H.W. Kasemir // J. Geophys. Res. 1996. V. 101. NR. D12. S. 17029-17031. Earle R. Williams. Kommentar zu „Laborexperimente und Lademechanismen zur Gewitterelektrifizierung“ von C.P.R. Saunders // J. Geophys. Res. 1995. V. 100. NR. D1. S. 1503-1505. Chuntao Liu, Earle R. Williams, Edward J. Zipser, Gary Burns. Tagesverlauf globaler Gewitter und elektrifizierter Schauerwolken und ihr Beitrag zum globalen Stromkreis //J. Atmosphäre. Wissenschaft. http://journals.ametsoc.org/doi/full/10.1175/2009JAS3248.1

Bei allem, was ich geschrieben habe, handelt es sich nicht um eine persönliche Sichtweise, sondern um durch Beobachtungen festgestellte Tatsachen. Fakt 1: Die Atmosphäre wird durch kosmische Strahlung ionisiert und radioaktive Elemente. In der unteren Troposphäre beträgt die Konzentration leichter Ionen beider Ladungszeichen etwa 1000 pro cm^3. Fakt 2: Zwischen der Ionosphäre und der Erdoberfläche besteht ein Potentialunterschied von etwa 250 kV und in Gebieten, die nicht durch Gewitteraktivität gestört werden, driften leichte Ionen im atmosphärischen elektrischen Feld in entgegengesetzte Richtungen, wodurch ein Stromfluss mit einer Dichte von etwa 2 entsteht 10^(-12) A/m^ 2. Fakt 3: Die Atmosphäre ist im Allgemeinen positiv geladen. Fakt 4: Gewitterwolken wirken als Generator, der die Ionosphäre positiv auflädt und einen quasistationären Ionenstrom liefert, da die Ionenkonzentration und die atmosphärische Leitfähigkeit mit der Höhe exponentiell zunehmen. Der negative Strom, der durch Blitzentladungen zur Erdoberfläche transportiert wird, ist gering, die Anzahl der Entladungen innerhalb der Wolke ist zwei Größenordnungen größer als die Anzahl der Entladungen zwischen Wolke und Erde, und der von einer Entladung getragene Strom beträgt etwa 1 A. Die Abbaupotentialdifferenz in der Wolke entsteht durch Phasenübergänge von Wasser, das gleichzeitige Vorhandensein mehrerer Phasen, selektives Einfangen von Ionen durch Kondensationskerne, starke Konvektion, Ladungstrennung während der Reibung von Eispartikeln (falls vorhanden). Wolke-zu-Erde-Entladungen entstehen dadurch, dass unter einer Gewitterwolke auf der Oberfläche der gut leitenden Erde eine induzierte Ladung mit dem Vorzeichen entgegengesetzt zum unteren Teil der Wolke entsteht und dort (das wird Sie überraschen) Es können sowohl negative als auch positive Ladungen konzentriert sein. Daher können Entladungen Strom sowohl in die Wolke als auch an die Oberfläche übertragen.
Diese Prozesse haben nichts mit dem zu tun, was Sie erwähnt haben.
K.A. Nicoll und R.G. Harrison. Experimentelle Bestimmung der Randaufladung von Schichtwolken durch Ionisation kosmischer Strahlung // Geophys. Res. Briefe. 2010. V. 37. L13802. doi:101029/2010GL043605. Limin Zhou und Brian A. Tinsley. Erzeugung von Raumladung an den Grenzen von Schichtwolken // J. Geophys. Res. 2007. V. 112. D11203. doi:10.1029/2006/2006JD007998.

Elektrisches Feld der Erde

Elektrometermessungen zeigen, dass an der Erdoberfläche ein elektrisches Feld herrscht, auch wenn sich keine geladenen Körper in der Nähe befinden. Das bedeutet, dass unser Planet eine gewisse elektrische Ladung hat, d. h. er ist eine geladene Kugel mit großem Radius.

Eine Untersuchung des elektrischen Feldes der Erde zeigte, dass im Durchschnitt der Modul seiner Stärke E= 130 V/m, und die Feldlinien sind vertikal und zur Erde gerichtet. Die elektrische Feldstärke ist in den mittleren Breiten am größten und nimmt zu den Polen und dem Äquator hin ab. Folglich hat unser Planet als Ganzes Negativ Gebühr, die durch den Wert geschätzt wird Q= –3∙10 5 C, und die Atmosphäre insgesamt ist positiv geladen.

Die Elektrifizierung von Gewitterwolken erfolgt durch das Zusammenwirken verschiedener Mechanismen. Erstens durch Zerkleinern von Regentropfen durch Luftströmungen. Durch die Fragmentierung werden die fallenden größeren Tropfen positiv geladen, die kleineren, die im oberen Teil der Wolke verbleiben, negativ. Zweitens werden elektrische Ladungen durch das elektrische Feld der Erde getrennt, das eine negative Ladung aufweist. Drittens erfolgt die Elektrifizierung durch die selektive Ansammlung von Ionen durch Tröpfchen in der Atmosphäre verschiedene Größen. Der Hauptmechanismus ist der Fall ausreichend großer Partikel, die durch Reibung mit der atmosphärischen Luft elektrisiert werden.

Die atmosphärische Elektrizität in einem bestimmten Gebiet hängt von globalen und lokalen Faktoren ab. Gebiete, in denen die Wirkung globaler Faktoren vorherrscht, werden als Zonen „guten“ oder ungestörten Wetters betrachtet, und in denen die Wirkung lokaler Faktoren vorherrscht – als Zonen gestörten Wetters (Gebiete mit Gewittern, Niederschlägen, Staubstürmen usw.).

Messungen zeigen, dass die Potentialdifferenz zwischen der Erdoberfläche und dem oberen Rand der Atmosphäre etwa 400 kV beträgt.

Wo beginnen die Feldlinien, die auf der Erde enden? Mit anderen Worten: Wo sind die positiven Ladungen, die die negative Ladung der Erde kompensieren?

Atmosphärenstudien haben gezeigt, dass sich in einer Höhe von mehreren zehn Kilometern über der Erde eine Schicht aus positiv geladenen (ionisierten) Molekülen befindet, die als „Atmosphäre“ bezeichnet werden Ionosphäre. Es ist die Ladung der Ionosphäre, die die Ladung der Erde kompensiert, d. h. tatsächlich verlaufen die Feldlinien der Erdelektrizität von der Ionosphäre zur Erdoberfläche, wie bei einem Kugelkondensator, dessen Platten sind konzentrische Kugeln.

Unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes in der Atmosphäre fließt ein Leitungsstrom zur Erde. Durch jeden Quadratmeter der Atmosphäre fließt senkrecht zur Erdoberfläche ein durchschnittlicher Strom ICH~ 10–12 A ( J~ 10–12 A/m2). Die gesamte Erdoberfläche erhält einen Strom von ca. 1,8 kA. Bei einer solchen Stromstärke müsste die negative Ladung der Erde innerhalb weniger Minuten verschwinden, was jedoch nicht geschieht. Dank der Prozesse, die in stattfinden Erdatmosphäre und außerhalb davon bleibt die Ladung der Erde im Durchschnitt unverändert. Folglich gibt es einen Mechanismus zur kontinuierlichen Elektrifizierung unseres Planeten, der zum Auftreten einer negativen Ladung auf ihm führt. Was sind diese atmosphärischen „Generatoren“, die die Erde aufladen? Dies sind Regenfälle, Schneestürme, Sandstürme, Tornados, Vulkanausbrüche, Spritzwasser von Wasserfällen und Brandung, Dampf und Rauch von Industrieanlagen usw. Den größten Beitrag zur Elektrifizierung der Atmosphäre leisten jedoch Wolken und Niederschläge. Typischerweise sind Wolken oben positiv und unten negativ geladen.

Sorgfältige Studien haben gezeigt, dass die Stromstärke in der Erdatmosphäre um 1900 GMT maximal und um 400 GMT minimal ist.

Blitz

Lange Zeit wurde angenommen, dass etwa 1800 gleichzeitig auf der Erde auftretende Gewitter einen Strom von ~ 2 kA erzeugen, der den Verlust der negativen Ladung der Erde durch Leitungsströme in Zonen „guten“ Wetters ausgleicht. Es stellte sich jedoch heraus, dass die Gewitterströmung viel geringer ist als angegeben und es notwendig ist, Konvektionsprozesse auf der gesamten Erdoberfläche zu berücksichtigen.

In Zonen, in denen Feldstärke und Dichte der Raumladungen am größten sind, können Blitze auftreten. Der Entladung geht das Auftreten eines erheblichen Unterschieds im elektrischen Potential zwischen der Wolke und der Erde oder zwischen benachbarten Wolken voraus. Die so erzeugte Potentialdifferenz kann eine Milliarde Volt erreichen und die anschließende Entladung des angesammelten Stroms erfolgt elektrische Energie Durch die Atmosphäre können kurzfristig Ströme mit einer Stärke von 3 kA bis 200 kA entstehen.

Es gibt zwei Klassen linearer Blitze: bodengebunden (trifft auf die Erde) und wolkenintern. Die durchschnittliche Länge von Blitzentladungen beträgt normalerweise mehrere Kilometer, aber manchmal erreichen Blitze innerhalb der Wolke 50-150 km.

Der Entwicklungsprozess des Bodenblitzes besteht aus mehreren Phasen. In der ersten Phase, in der Zone, in der das elektrische Feld einen kritischen Wert erreicht, beginnt die Stoßionisation, die durch in geringen Mengen verfügbare freie Elektronen erzeugt wird. Unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes erreichen Elektronen erhebliche Geschwindigkeiten in Richtung Erde und ionisieren diese durch Kollision mit den Molekülen, aus denen die Luft besteht. So entstehen Elektronenlawinen, die sich in Fäden elektrischer Entladungen verwandeln – Streamer, bei denen es sich um gut leitende Kanäle handelt, deren Verschmelzung einen hellen thermisch ionisierten Kanal mit hoher Leitfähigkeit entstehen lässt – gestufter Blitzführer. Während sich der Anführer auf die Erde zubewegt, erhöht sich die Feldstärke an seinem Ende und unter seiner Wirkung wird ein Reaktionsstrahl von Objekten ausgestoßen, die auf der Erdoberfläche hervorstehen und sich mit dem Anführer verbinden. Wenn der Streamer nicht entstehen darf (Abb. 126), wird der Blitzeinschlag verhindert. Diese Funktion des Blitzes wird zum Erstellen verwendet Blitzableiter(Abb. 127).

Ein häufiges Phänomen sind Mehrkanalblitze. Sie können bis zu 40 Entladungen in Abständen von 500 μs bis 0,5 s durchführen, wobei die Gesamtdauer einer Mehrfachentladung 1 s erreichen kann. Es dringt normalerweise tief in die Wolke ein und bildet viele verzweigte Kanäle (Abb. 128).

Reis. 128. Mehrkanal-Reißverschluss

Am häufigsten treten Blitze in Cumulonimbuswolken auf, dann spricht man von Gewittern; Manchmal bilden sich Blitze in Nimbostratuswolken und wann Vulkanausbrüche, Tornados und Staubstürme.

Es ist wahrscheinlich, dass ein Blitz denselben Punkt erneut einschlägt, es sei denn, das Objekt wurde durch einen vorherigen Einschlag zerstört.

Blitzentladungen werden von sichtbaren begleitet elektromagnetische Strahlung. Wenn der Strom im Blitzkanal zunimmt, steigt die Temperatur auf 10 4 K. Die Druckänderung im Blitzkanal, wenn sich der Strom ändert und die Entladung stoppt, verursacht Geräuschphänomene, die als Donner bezeichnet werden.

Gewitter mit Blitzen treten fast überall auf dem Planeten auf, mit Ausnahme der Pole und Trockengebiete.

Somit kann das System Erde-Atmosphäre als eine kontinuierlich arbeitende elektrophoretische Maschine betrachtet werden, die die Oberfläche des Planeten und die Ionosphäre elektrisiert.

Blitze gelten seit langem als Symbol „himmlischer Macht“ und als Gefahrenquelle für den Menschen. Mit der Entdeckung der Natur der Elektrizität lernte der Mensch, sich mit Hilfe eines Blitzableiters vor diesem gefährlichen atmosphärischen Phänomen zu schützen.

Der erste Blitzableiter Russlands wurde 1856 über der Peter-und-Paul-Kathedrale in St. Petersburg errichtet, nachdem zweimal ein Blitz in den Turm eingeschlagen und die Kathedrale in Brand gesteckt hatte.

Sie und ich leben in einem konstanten elektrischen Feld von erheblicher Intensität (Abb. 129). Und es scheint, dass zwischen der Oberseite des Kopfes und den Fersen einer Person ein Potentialunterschied von ~ 200 V bestehen sollte. Warum fließt kein elektrischer Strom durch den Körper? Dies erklärt sich aus der Tatsache, dass der menschliche Körper ein guter Leiter ist und dadurch ein Teil der Ladung von der Erdoberfläche auf ihn übergeht. Dadurch verändert sich das Feld um jeden von uns (Abb. 130) und unser Potenzial wird gleich dem Potenzial der Erde.

Literatur

Zhilko, V.V. Physik: Lehrbuch. Zuschuss für die 11. Klasse. Allgemeinbildung Institutionen mit Russisch Sprache Ausbildung mit 12-jähriger Studienzeit (Grund- und Aufbaustudium) / V.V. Zhilko, L.G. Markowitsch. - Minsk: Nar. Asveta, 2008. - S. 142-145.