Ричард Фейнман - 5a. Электричество и магнетизм

Земля заряжена отрицательно, а потенциал в воздухе поло­жителен. На достаточно большой высоте проводимость так велика, что вероятность изменений напряжения по горизонтали становится равной нулю. Воздух при том масштабе времени, о котором сейчас идет речь, фактически превращается в провод­ник. Это происходит на высоте около 50 км. Это еще не так вы­соко, как то, что называют «ионосферой», где имеется очень боль­шое количество ионов, образуемых за счет фотоэффекта от сол­нечных лучей. Для наших целей можно, обсуждая свойства атмосферного электричества, считать, что на высоте примерно 50 км воздух становится достаточно проводящим и там су­ществует практически проводящая сфера, из которой вытекают вниз токи. Положение дел изображено на фиг. 9.4. Вопрос в том, как держится там положительный заряд. Как он накачивается обратно?

Фиг. 9.4. Типичные характеристики элек­трических свойств чис­той атмосферы.

Раз он стекает на Землю, то должен же он как-то перекачиваться обратно? Долгое время это было одной из главных загадок атмосферного электричества.

Любая информация на этот счет может дать ключ к загадке или, по крайней мере, хоть что-то сообщить о ней. Вот одно интересное явление: если мы измеряем ток (а он, как мы знаем, устойчивее, чем градиент потенциала), скажем над морем, и при тщательном соблюдении предосторожностей, очень аккурат­но все усредняем и избавляемся от всяких ошибок, то мы обна­руживаем, что остаются все же какие-то суточные вариации. Среднее по многим измерениям над океанами обладает времен­ной вариацией примерно такой, какая показана на фиг. 9.5. Ток меняется приблизительно на ±15% и достигает наиболь­шего значения в 7 часов вечера по лондонскому времени. Самое странное здесь то, что, где бы вы ни измеряли ток — в Атланти­ческом ли океане, в Тихом ли или в Ледовитом, — его часы пик бывают тогда, когда часы в Лондоне показывают 7 вечера! По­всюду во всем мире ток достигает максимума в 19.00 по лондон­скому времени, а минимума — в 4.00 по тому же времени. Ины­ми словами, ток зависит от абсолютного земного времени, а не от местного времени в точке наблюдения.

Фиг. 9.5. Средняя су­точная вариация гради­ента потенциала атмос­феры в ясную погоду над океанами.

В одном отношении это все же не так уж странно; это вполне сходится с нашим пред­ставлением о том, что на самом верху имеется очень большая го­ризонтальная проводимость, которая и исключает местные изменения разности потенциалов между Землей и верхом. Любые изменения потенциала должны быть всемирными, и так оно и есть. Итак, теперь мы знаем, что напряжение «вверху» с изме­нением абсолютного земного времени то подымается, то падает на 15%.

§ 3. Происхождение токов в атмосфере

Теперь нужно ответить на вопрос об источнике больших отрицательных токов, которые должны течь от «верха» к земной поверхности, чтобы поддержать ее отрицательный заряд. Где же те батареи, которые это делают? «Батарея» показана на фиг. 9.6. Это гроза или вернее молнии. Оказывается, вспышки молний не «разряжают» той разности потенциалов, о которой мы говорили (и как могло бы на первый взгляд показаться). Молнии снабжают Землю отрицательным зарядом. Если мы увидали молнию, то можно поспорить на десять против одного, что она привела на Землю большое количество отрицательных зарядов. Именно грозы заряжают Землю в среднем током в 1800 а элект­ричества, которое затем разряжается в районах с хорошей по­годой.

На Земле каждые сутки гремит около 300 гроз. Их-то и мож­но считать теми батареями, которые накачивают электричество в верхние слои атмосферы и сохраняют разность потенциалов. А теперь учтите географию — полуденные грозы в Бразилии, тропические — в Африке и т. д. Ученые сделали оценки того, сколько молний ежесекундно бьет в Землю; нужно ли говорить, что их оценки более или менее согласуются с измерениями разности потенциалов: общая степень грозовой деятельности достигает на всей Земле максимума в 19.00 по лондонскому вре­мени. Однако оценки грозовой деятельности делать очень трудно; сделаны они были только после того, как стало известно, что та­кие вариации должны существовать. Трудность заключается в том, что в океанах, да и повсюду в мире не хватает наблюдений, их мало, чтобы точно установить число гроз. Но те ученые, ко­торые думают, что они «все учли правильно», уверяют, что мак­симум деятельности приходится на 19.00 по гринвичскому сред­нему времени.

Чтобы понять, как работают эти батареи, попробуем разоб­раться в грозе поглубже. Что происходит внутри грозы? Опишем грозу так, как ее сейчас представляют. Когда мы вникаем в не­обыкновенное явление природы (а не в эти столь изящно нами разобранные идеальные сферы из идеальных проводников, по­мещенных внутри других сфер), мы открываем, что не так уж много знаем.

Фиг. 9.6. Механизм, создающий электрическое поле атмосферы.

А это все очень интересно. Гроза не оставляет че­ловека равнодушным: она пугает его или восхищает; в общем возбуждает в нем какие-то чувства. А там, где в природе появ­ляются чувства, обычно сразу всплывает и сложность природы и ее таинственность. Нет никакой возможности точно описать, как происходит гроза, мы пока мало об этом знаем. Но мы все же попробуем немножко рассказать о том, что происходит.

§ 4. Грозы

1 Прежде всего следует сказать, что обычная гроза состоит из множества «ячеек», тесно примыкающих друг к другу, но почти независимых. Поэтому достаточно проанализировать одну из них. Под «ячейкой» мы подразумеваем область (имеющую в горизонтальном направлении ограниченную протяженность), в которой происходят все основные процессы. Обычно имеется несколько ячеек, расположенных одна возле другой, а в каждой из них творится примерно одно и то же, разве что с некоторым сдвигом во времени. На фиг. 9.7 в идеализированном виде представлена ячейка в начальный период грозы. Оказывается, что в воздухе в некотором месте и при некоторых условиях (мы их вскоре опишем) существует восходящий ток, все более убы­стряющийся по мере подъема. Теплый и влажный воздух снизу подымается, остывает и конденсирует влагу.