Атмосферное электричество

Атмосферное электричество изучается с 1752 г., но более 130 лет для этой цели употреблялись крайне примитивные способы. Современные исследования начались только в 1900 г, и в настоящее время изучают: 1) разность потенциалов (см.) в разных странах и на разных высотах в атмосфере, зависимость от географической широты, от распределения суши и моря, от времени года и от метеорологических условий; 2) рассеяние электричества и степень униполярности при разных географических и метеорологических условиях; 3) радиоактивность атмосферы и поверхности земли, горных пород, минеральных источников, грязей и пр.; 4) более резкие электрические явления в атмосфере, как молнии разных форм, огни Святого Эльма и полярные сияния. Так называемые земные токи составляют предмет геомагнетизма.

С давних времен высказывалось мнение, что молния и электрическая искра по качеству, вероятно, одно и то же, а различны лишь по количеству электричества; однако многие, физики даже в первой половине XVIII в. отрицали тождество этих явлений. Чтобы доказать это тождество, В. Франклин в  Филадельфии предполагал производить опыты при помощи высоких металлических шестов с остриями на строившейся в то время высокой колокольне, но, не дождавшись окончания ее постройки, послал в 1750 г. ученому Королевскому Обществу в Лондоне для напечатания составленную им еще в 1749 г. статью по этому вопросу. Королевское Общество напечатать статью Франклина не согласилось, но статья была напечатана на частные средства. Парижский ботаник Далибар (d’Alibard) перевел и издал ее на французском языке и настолько увлекся идеей Франклина, что придумал свое приспособление для доказательства тождества молнии и электрической искры; доказать это удалось ему во время грозы 10-го мая 1752 г, в Марли-ля-виль близ Парижа. Опыты Далибара в том же 1752 г, повторялись почти во всех больших городах Европы (в Санкт-Петербурге 29 июля 1752 г) и в Филадельфии. При помощи змеев получились искры длиной до 10 футов. В том же году было доказано, что не только грозовые тучи и другие облака обладают электрическими свойствами, но и атмосфера представляет собой электрическое поле, когда совсем нет облаков. Дальнейшие наблюдения показывали, что электричество атмосферы, облаков и атмосферных осадков изменяется, — то оно положительное, то отрицательное, — но без облаков почти всегда наблюдалось атмосферное электричество положительного знака, а во время дождя —  преимущественно отрицательного.

Несмотря на жалкое состояние электроизмерительных и собирательных приборов в XVIII в. и еще в первой половине XIX в., результаты исследований были весьма удовлетворительны, но каждому наблюдателю приходилось сперва придумывать инструменты и затем мало-помалу совершенствовать их, причем обыкновенно наблюдения первых лет оказывались негодными. Весьма ценные серии ежедневных и даже ежечасных наблюдений Беккария в Турине и Болонье от 1757 до 1772 г., Шюблера в Тюбингене (1811—1833), 20-летние наблюдения Дельмана в Крейцнахе, Соссюра в конце XVIII в. в Швейцарских горах и др. выяснили вопрос о суточных изменениях атмосферного электричества и его зависимость от времени года и высоты местности. Однако, все результаты были относительные, так как не было приборов для абсолютных измерений. Последние были придуманы во второй половине XIX в. Томсоном, Маскаром, Экснером, Эльстером и Гейтелем, Эбертом, Гердиеном и др. При помощи самопишущих приборов установлено, что в умеренных и более северных широтах в безоблачные дни положительное атмосферное электричество довольно правильно изменяется, в известное время уменьшается, а в другое — увеличивается, но эти изменения (суточные вариации) в разных местах различны, смотря по географическим условиям. Везде при ясном небе ночью положительное атмосферное электричество постепенно уменьшается, и около 4-х часов утра наблюдается минимум, затем опять увеличивается. Максимум наблюдается вечером около 9 часов. В течение дня наблюдается второй минимум, около 3 часов дня, причем второй максимум наступает утром от 8 до 12 часов, смотря по времени года. На высоких станциях нет дневного максимума. Так, например, на вершине башни Эйфеля (300 метров над Парижем) наблюдается минимум в 4 часа утра и максимум вечером от 6 до 7 часов, а в Париже, кроме этих, еще максимум утром и минимум после полудня.

С высотой над уровнем моря амплитуда суточных колебаний уменьшается и на высоте 3000 метров она очень незначительна. Точно также в морском климате суточная амплитуда уменьшается и на Цейлоне она очень мала. В течение года самые большие величины наблюдаются зимой, а летом — малые.

Для сравнения наблюдений в разных местах требуется абсолютная единица, и таковой служит вольт на один метр разности высоты. В каждой точке атмосферы действуют электрические силы: наша атмосфера представляет огромное поле, и в каждой точке в атмосфере наблюдается определенный потенциал, который изменяется с высотой. Поэтому определяют, на сколько вольт изменяется атмосферное электричество при поднятии на 1 метр,  эта величина называется разностью потенциала. Она изменяется в течение суток (суточные вариации): зависит она от географического положения места и метеорологических условий; она изменяется в течение года. Для примера можно привести наблюдения в Потсдаме: август 160, январь 408 вольт на 1 метр.

В горных странах падение потенциала очень велико, в зависимости от рельефа земной поверхности (Шафберг 2 000 вольт/метр, высота 1.780 м; Зонблик 1 100 вольт/метр, высота 3 010 м). Напротив, в свободной атмосфере, по наблюдениям на воздушных шарах, падение потенциала уменьшается с высотой, и на высоте около 3 000 метров оно приближается к нулю. С повышением барометрического давления и с понижением температуры воздуха повышается разность потенциала. Особенно быстрые колебания наблюдаются во время гроз, и каждая молния изменяет поле в значительной степени, причем наблюдается более 8 000 вольт/метр как положительного, так и отрицательного электричества. Осадки сопровождаются большей частью отрицательным электричеством.

Наблюдения над рассеянием электричества производятся только с 1900 г. Еще Кулон в 1788 г. нашел, что каждый заряженный проводник в атмосфере теряет свой заряд в течение двух часов. Через сто лет после Кулона эти опыты в продолжение двух лет повторялись Линссом, и он нашел, что интенсивность рассеяния электрического заряда в атмосфере имеет суточный и годовой ход и зависит от метеорологических условий. В 1899 г. Эльстер и Гейтель открыли униполярность рассеяния электричества; вследствие присутствия в атмосфере свободных отрицательных и положительных электрических ионов, заряды противоположных знаков рассеиваются пропорционально количеству ионов соответствующего знака. Эберт в Мюнхене придумал способ для определения количества свободных ионов в  атмосфере.

Потеря отрицательного электричества вообще несколько больше, чем рассеяние положительного, из чего следует, что свободных положительных ионов в атмосфере больше чем свободных отрицательных. Наименьшее число ионов в одном кубическом сантиметре воздуха наблюдалось на острове Гельголанде, а именно 180 отрицательных и 380 положительных; на океанах нашли в среднем 530 отрицательных и 570 положительных. В западной Европе число ионов гораздо больше: в Мюнхене 1 250 отрицательных и 1 550 положительных. В континентальных местностях наблюдается самое большое количество; в Самаркандской области зимой найдено от 924 до 3 397 отрицательных и от 1 528 до 5 789 положительных ионов в одном кубическом сантиметре.

При тумане рассеяние весьма слабое и почти униполярное (т. е. имеются ионы преимущественно одного знака), напротив, при чистом и прозрачном воздухе и в солнечные дни рассеяние больше. Поэтому во время фёна в Альпах, а также в пещерах, где мало пыли, наблюдается особенно сильное рассеяние. В течение года летом ионов больше, чем зимой, а в течение суток наблюдается два максимума (около полудня   и в ночные часы) и два минимума (около времени восхода и захода солнца).

Радиоактивность атмосферы наблюдается во всякое время, но в различной степени. Исходящие из радиоактивных веществ лучи ионизируют воздух, и в нем являются свободные ионы. Для определения радиоактивности атмосферы и поверхности почвы подвешивают в открытом месте тщательно изолированную металлическую проволоку, длиной до 30 метров, и при помощи ряда замбониевых столбов поддерживают при отрицательном потенциале в 2000—3000 вольт. По истечении 3 часов экспозиции определяют степень активности прибором рассеяния. Скорость потери заряда в приборе служит мерой активной материи, скопившейся на проволоке и состоящей из продуктов распада эманации радия, иногда и тория и актиния. Наблюдения показывают, что активность атмосферы на морях меньше, чем внутри континента, при слабом барометрическом давлении больше, чем при высоком, и на горах больше, чем в долинах. Активность на Чатыр-Даге в Крыму почти в два раза больше, чем в Ялте. Почвенный воздух особенно отличается активностью, а также источники, в особенности минеральные, но степень радиоактивности даже двух соседних источников может быть весьма различна. Атмосферные осадки всегда обнаруживают следы радиоактивности, особенно грозовые осадки и свежевыпавший снег. Горные породы также более или менее радиоактивны. Метод исследования активности почвенного воздуха, атмосферных осадков, горных пород, минеральных вод и пр. основан на рассеянии электричества. Радиоактивность почвенного воздуха играет важную роль в новейших теориях об атмосферном электричестве.

В конце XIX столетия насчитывали более 40 различных теорий, предложенных для объяснения электричества гроз, нормального атмосферного электричества и других электрических явлений в атмосфере. Ввиду новых результатов наблюдений последних 10 лет все прежние теории имеют лишь историческое значение. Главнейшие из них допускают постоянный отрицательный заряд земного шара и положительный заряд атмосферы, причем заряды земли и атмосферы могут быть равны, и их сумма равна нулю, или отрицательный заряд земли преобладает, и в таком случае земля наша действует на точку вне атмосферы как отрицательно заряженный проводник. Изменения электрического поля приписывают процессам изменения агрегатного состояния воды (испарения, сгущения), трению ледяных кристаллов, капель и воздуха, трению льда и водяных капель и пр. В 1899 году Эльстер и Гейтель предложили теорию ионов, по которой в атмосфере всегда имеются составные части распавшихся электронов — свободные отрицательные и положительные ионы, что доказывается униполярным рассеянием электричества. Вопрос об отрицательном заряде земного шара решается Эбертом радиоактивностью почвенного воздуха, сильно ионизированного. Выделяясь сквозь капилляры почвы, почвенный воздух отдает земле в преобладающем количестве отрицательные ионы, отчего земля приобретает отрицательный заряд, воздух же выходит из почвы с избытком положительного электричества. Теория Эберта объясняет многие явления атмосферного электричества, но электричество гроз и полярных сияний требует новых дополнений.

См. молния, огни Святого Эльма, полярные сияния.

Э. Лейст.