2.4. Электрические природные поля и объемные заряды в атмосфере Земли

Известно, что электрическое поле (ЭП) возникает вокруг электрического заряда, при движении зарядов образуется электромагнитное поле (ЭМП) с двумя компонентами - электрической и магнитной. При колебаниях зарядов в пространстве и во времени возникает электромагнитная волна с соответст­вующими частотами колебаний. Для характеристики ЭМП обычно исполь­зуют электрическую составляющую поля (с напряженностью вольт на метр), но заряды взаимодействуют и с магнитным полем (являясь также его источ­ником при своем движении). Общий заряд Земли (совместно с атмосферой) относительно околоземного космического пространства - нейтрален, но в земной атмосфере действует постоянный глобальный процесс ионизации - разделения зарядов на ионы и электроны. Поэтому там всегда есть избыточный положительный объемный заряд, а на земной поверхности - соответст­вующий индуцированный поверхностный отрицательный заряд. В результа­те разделения в атмосфере всегда есть (и были измерены) природные элек­трические поля, которые очень сильно зависят от погоды, времени суток и года, условий местности и других причин. В безоблачную погоду ЭП у по­верхности Земли практически вертикально (напряженность 130...180 В/м) и уменьшается с высотой (на высоте 10 км - до нескольких вольт на метр), а в грозу, перед ударом молнии, - увеличивается, достигая 300 кВ/м. Воздух в тропосфере можно считать изолятором, а в ионосфере - проводником.

2.4.1. Атмосферики

В радиодиапазоне один из основных источников природных ЭМП - это атмосферики, самовозбуждающиеся по всей Земле атмосферные разряды в тропосфере (молнии). Каждый из них - лишь несколько апериодических ко­лебаний с квазичастотой от единиц герц до мегагерц, но многие их тысячи сливаются в непрерывный, зависящий от частоты шум. Наиболее интенсив­ны атмосферики в области частот около 10 кГц, однако при более низких частотах их интенсивность заметно спадает. Средняя амплитуда атмосфериков при частотах свыше 10 кГц обратно пропорциональна частоте. Атмосфе­рики, вызванные молниями, распространяются на большие расстояния в ес­тественном волноводе "Земля - ионосфера".

Однако основными источниками ЭМП в этом диапазоне частот сейчас стали бесчисленные радио- и телепередатчики, радиолокаторы, суммарная интенсивность которых в сотни тысяч раз превышает все природные источ­ники.

2.4.2. Объемные заряды в атмосфере

Существуют два основных механизма образования объемных зарядов воздуха - в тропосфере и в ионосфере, оба - экологически значимы. Отли­чия их механизмов обусловлены причинами ионизации (образования аэро­ионов) и процессами деионизации.

Заряды в тропосфере. Около Земли первичные ионы атомов и молекул возникают в основном от воздействия ионизирующего излучения радиоактивных примесей (Ra, Til, Ac и др.) в земной коре и в воздухе. Образуются они и но другим причинам: от космических лучей; дробления и распыления воды; из-за трибоэлектрического эффекта (взаимного трения песчинок, пы­линок, снежинок); в результате грозовых молниевых разрядов; образования плазмы при горении, при коронных разрядах с остриев и др. Суммарная ин­тенсивность ионообразования в приземных слоях атмосферы определяется скоростью появления (почти одновременного) первичных ионов (положи­тельного и отрицательного) и составляет в среднем 10 пар ионов/(см с) (т. е. около 1.6 • 10' Кл/(м -с)). Первичные ионы атомов или молекул (обычно, с одним отсутствующим или избыточным электроном) существуют лишь доли секунды, т. к. к ним под действием поляризационных сил присое­диняются несколько (до 30-50) нейтральных молекул газов воздуха (обычно, паров воды), образуя комплексы атомов и молекул - легкие аэроионы. Пер­вичные ионы и легкие аэроионы сталкиваются с ядрами конденсации (части-

^ ч цы пыли, дыма, тумана с размерами от 2 • \0~" до 10" мкм), оседают на них,

образуя тяжелые аэроиопы. С потерей заряда легкий аэроион обычно распа­дается, исчезает, а тяжелый - становится незаряженным ядром. Для оценки

з-уроионизации считают концентрацию легких (Л , Л ), тяжелых (Т , Т ) аэ-роионор (электронов на кубометр, миллиграммов на куб^-ле о), коэффициент униполярностн Ку = и, 1 п, , т. е. отношение концентрации положительных аэроионов к конце,! грзции отрицательных аэроионов, коэффициент реком­бинации (деясшизапии) а (количество пар на кубометр в секунду). Для при-

зе?.'пого воздуха R\. я: 1.1 -1.2 и зависит от многих условий.

...± Аэроионньш режим тем благоприятнее для организмов, чем больше Л и

4-

чем ме;:ьше Т", а также - чем меньше Я"у (т. е. чем больше концентрация от­рицательных аэроионов). Концентрация и разнообразие отрицательных аэ­роионов значительно больше зависят от микропримессй воздуха, чем тако­вые для положительных аэроионов. Биологически активные летучие выделе­ния растительности (фитонциды) заметно увеличивают концентрацию лег­ких аэроионов, уменьшают концентрацию тяжелых аэроионов. Напротив, выкуренные сигареты резко снижают концентрацию легких чзроионов: одна - на 27 %, три - па 68 %, шесть - практически на 100 % (в помещении объ-

емом 35 м ). Ежегодно в ноябре - марте концентрация легких аэроионов ми­нимальна, тяжелых - максимальна; в июле - августе минимальна концентра­ция тяжелых аэроионов, в мае - июне - максимальна концентрация легких аэроионов. Во время (и после) грозы, дождя концентрация отрицательных аэроионов становится преобладающей. Средние концентрации легких аэро­ионов в сельских районах - 500...1000 е/м³, в горах, на курортах - до 2200 е/м , в больших городах -- 100...450 е/м .

Еще в ранних работах русских и советских физиологов (И. П. Сквор­цов, А. П. Соколов, А. Л. Чижевский, Л. Л. Васильев и др.) было доказано, что легкие отрицательные аэроионы (в основном - кислородные) оказывают на живые организмы чрезвычайно благоприятное воздействие, а положи­тельные аэроионы обычно воздействуют неблагоприятно. Длительное вды­хание воздуха с большим превалированием тяжелых положительных аэро­ионов над легкими отрицательными аэроионами может привести к заболе­ваниям и даже к летальному исходу для животных и людей.

Увеличение количества отрицательных ионов во вдыхаемом воздухе нор­мализует, стимулирует функциональное состояние организма (например, приводит к увеличению надоев молока в среднем на 500 кг в год на одну ко­рову). В связи с этими исследованиями были разработаны методы искусст­венной (дополнительной) аэроионификации, которая благотворно действует на здоровье и самочувствие людей, особенно в закрытых, плохо проветри­ваемых помещениях. Методы ионизации воздуха широко используются так­же для его очистки от вредных примесей.

Чрезвычайно интересные (в частности, прикладные) возможности появ­ляются при изучении шаровой молнии - устойчивого (в среднем около 9 с и дольше) структурированного светящегося плазменного шара (обычная фор­ма) диаметром около 30 см (в среднем). Шаровые молнии состоят из аэрозо­лей, аэроионов, молекул воздуха и его примесей. Имеются сообщения и о других долгоживущих молекулярных структурах в тропосфере.

Заряды в ионосфере. Ионосфера - это верхние слои атмосферы, в кото­рых под действием космического излучения и космических частиц значи­тельная часть атомов и молекул ионизирована. Она состоит из мезосферы, термосферы, экзосферы и простирается выше стратос4)еры - от высот 50...80 км до 4...5 радиусов Земли. Плотность атомов и молекул в ионосфере резко

убын^ст с высотой (в тропосфере падает вдвое на каждые 5.5 км, составляет \Q'^<} от приземной плотности на высоте 100 км и 10' - на высоте 300 км). Атмосферу подразделяют послойно - по температуре, составу, основным физическим процессам. Например, до высот 105...110 км сохраняется посто­янный основной состав воздуха (гомосфера - около 78 % азота, 21 % кисло­рода, 1 % аргона, остальные составляющие ~ 0,1 %). Выше (в гетеросфере) проявляется молекулярная диффузия - легких молекул становится все боль­ше, тяжелых - все меш-ше. На высотах 200...250 км основным нейтральным компонентом становится атомарный кислород, свыше 600 км а'гмос4)ера кз кислородно-азотной становится преимущественно водородно-гелиевой, по­сле 1500...2000 км — водородной.

Где граница атмосферы? Она условна: иногда ею считают высоту ~ 1000

км, иногда - ту высоту, где столкновения между частицами становятся не-

о существенными, а иногда - ту высоту, где плотность становится ~ 10 час­тиц/см³, т. е. практически одинаковой с межпланетной средой. В ионосфере степень ионизации К^ атомов и молекул велика (А"и = Иц/йн, где «ц - количе­ство ионов, «н ^- количество нейтральных атомов и молекул). На высотах 100

км Кн w 10"², а на высотах 3000 км Я"и ^» 10⁴. ^т- ^е- верхние слои ионосферы полностью ионизированы. Степень же рекомбинации а обратно пропорцио­нальна высоте. Исследования с помощью ракет выявили, что степень иони­зации (т. е. концентрации электронов) различна по высоте ионосферы, обра­зуются послойно локальные области зарядов: D (высота 60...90 км), Е (90...130 км), f) (170...200 км), ^ (250...300 км). Только область F-i образует сплошной мощный слой электронов вокруг Земли, от которого хорошо отражаются радиоволны. Именно в этом слое ионизация максимальна, при­чем во всех областях ("слоях") степень ионизации и все процессы в плазме сильно зависят от внешних условий (солнечной активности, времени суток и года и др.). В ионосфере часто сам^возбуждаются различные волны вследст­вие плазменных неустойчивостей. На высотах свыше 90 км температура ио­носферы снова возрастает, начинается термосфера - вплоть до высот около 1000 км, где появляется экзосфера (ее признак - частицы атмосферы почти перестают соударяться, обмениваясь кинетической энергией). Фактически, вся биота существует внутри гигантского конденсатора Земля - ионос4>ера,

25

собственные резонансные частоты которого ("шумановские резонансы") ле­жат в области 5...100 Гц, причем существуют резонансные пики 8, 14, 20, 26, 32 Гц. Эти пики совпадают с некоторыми биологическими ритмами, и ряд исследователей усматривают в этом не случайные взаимосвязи.