Электричество водопадов
Спектр шума прибоя подобен спектру шума небольшого водопада.
Электричество водопадов
Впервые электризация жидкости при дроблении была замечена у водопадов Швейцарии в 1786 году. С 1913 года явление получило название баллоэлектрического эффекта. Эффект электризации наблюдается не только у водопадов на открытой местности, но и в пещерах.
Заряд воздуху у водопадов сообщают микроскопические капельки воды и молекулярные комплексы, которые при дроблении отрываются от водной поверхности и уносятся в окружающую среду. Наиболее значительный эффект электризации воздуха наблюдается у самых больших водопадов мира - у водопада Игуассу на границе Бразилии и Аргентины (высота падения воды 190 м, ширина потока 1 500 м) и у водопада Виктория на реке Замбези в Африке (высота падения воды 133 м, ширина потока 1 600 м). У водопада Виктория за счет дробления воды возникает электрическое поле напряженностью до 25 кв/м. С удалением от водосброса это поле уменьшается и на расстоянии около 1,6 км по горизонтали и 0,5 км по вертикали электрическое поле водопада переходит в нормальное электрическое поле земной поверхности.
При дроблении пресной воды в воздух переходит отрицательный заряд. Поэтому в воздухе у водопадов количество отрицательных ионов превышает количество положительных. У небольшого водопада Учан-Су в Крыму отношение отрицательных ионов к количеству положительных равно 6,2, а у водопада Ак-Су в Средней Азии оно составляет около 4.
У берегов морей воздух вместо отрицательного заряда приобретает положительный вследствие того, что здесь происходит разбрызгивание не чистой, а соленой воды. На поверхности морей и океанов разбрызгивание воды начинается при скорости ветра более 10 м/сек, когда на волнах появляются гребешки пены.
Отношение положительных зарядов к отрицательным в воздухе над морем при бурном море достигает 2,04, при зыби оно близко к 1,48.
Наибольшая электризация воздуха наблюдается при разбрызгивании чистой воды. С увеличением концентрации примесей электризация уменьшается и далее меняет знак (в естественных условиях, например, у берегов морей и над морской поверхностью).
Уменьшение выхода электричества вплоть до обращения знака эффекта при добавлении к воде кислот происходит при меньшей концентрации примеси, чем при добавлении солей. С увеличением вязкости жидкости ее электризация при дроблении уменьшается. Подвижность выходящих при баллоэлектрическом эффекте в воздух заряженных капелек и молекулярных комплексов может изменяться от 4 до 0,05см/сек/вольт/см при радиусе этих образований в пределах 3-10-8'..4-10-7' Выход электричества различен при разбрызгивании капель разной величины. Для капли диаметром 4,4 мм при скорости падения 6,8 м/сек высвобождается заряд 0,89 10-12 кулон/см3, в то время как для капли диаметром 0,4 мм при скорости падения 4 м/сек отдача заряда составляет 10-12 кулон! см3.
При наибольшей интенсивности разбрызгивания наблюдается выход заряда порядка 10-10 кулонов на каплю.
Баллоэлектрический эффект наблюдается только у дипольных жидкостей*. Основной причиной эффекта является наличие на поверхности жидкости слоя ориентированных диполей, которые создают двойной электрический слой внутри жидкости. Электрическое поле диполей простирается на некоторую глубину внутрь жидкости и концентрирует вблизи ее границ свободные заряды.
У недипольных жидкостей электрическое поле поверхностного двойного электрического слоя внутрь жидкости не проникает.
* Дипольными называются жидкости, у которых центры положительного и отрицательного зарядов в молекулах не совпадают между собой. Подавляющее число жидкостей в природе является дипольными.
Вообще же электрический диполь представляет собой совокупность двух равных по величине и противоположных по знаку электрических зарядов (или центров концентрации объемного заряда), находящихся на некотором расстоянии друг от друга и связанных между собой силами притяжения.
Так как при разбрызгивании жидкостей образуются пузыри, в тонкой пленке которых заряд поверхности жидкости уже не будет скомпенсирован зарядом внутренних слоев, в воздух вместе с мельчайшими частицами жидкости уходит и избыточный заряд тонкой пленки пузырей. При адсорбции* поверхностью жидкости свободных зарядов из ее внутренних слоев происходит уменьшение эффективной величины электрического поля внутреннего двойного электрического слоя и затем изменение его знака.
Этим объясняется изменение знака электризации при дроблении дипольных жидкостей с добавлением к ним примесей.
* Адсорбция - осаждение веществ из газа или раствора на поверхности твердого тела или жидкости.
Электричество в организме растений
Жизнь растений связана с влагой. Поэтому электрические процессы в них наиболее полно проявляются при нормальном режиме увлажнения и затухают при увядании.
Это связано с обменом зарядами между жидкостью и стенками капиллярных сосудов при протекании питательных растворов по капиллярам растений, а также с процессами обмена ионами между клетками и окружающей средой. Важнейшие для жизнедеятельности электрические поля возбуждаются в клетках.
В состоянии равновесия мембраны растительных клеток непроницаемы для ионов кальция и проницаемы для ионов калия.
Выход ионов через клеточную мембрану сообщает клетке отрицательный заряд; По достижении равновесия в распределении ионов калия мембранный потенциал приобретает предельное значение потенциала покоя. При раздражении растения изменяется проницаемость клеточных мембран для ионов кальция. Ионы кальция поступают в клетку и уменьшают ее отрицательный заряд.
За счет нарушения равновесия в распределении зарядов возникает пик мембранного потенциала, который в виде электрического импульса распространяется вдоль поверхности клеток. Последующий выход из клеток ионов калия возвращает мембранный потенциал к равновесию.
Скорость распространения импульсов раздражения по клеткам растений составляет несколько сантиметров в секунду (по нервам животных раздражение распространяется в сотни раз быстрее). Малая скорость распространения раздражений по организму растений связана с их общей неподвижностью.
Особенно активно электрические процессы протекают в клетках корней, поскольку именно через эти клетки поступают питательные соки к растущим побегам. Конечные разветвления корней и верхушек побегов растений всегда заряжены отрицательно относительно стебля.
У некоторых растений вблизи корчей в течение нескольких часов происходят колебания электрического потенциала с периодом около 5 минут и амплитудой в несколько милливольт. Наиболее значительные колебания отмечаются у самого кончика корня.
Об интенсивности электрических процессов в корневых клетках можно судить по величине протекающего через них тока. Исследованиями установлено, что через каждый 1мм2 поверхности корня протекает ток около 0,01 микроампера.
Поврежденное место в тканях растений всегда заряжается отрицательно относительно неповрежденных участков, а отмирающие участки растений приобретают отрицательный заряд по отношению к участкам, растущим в нормальных условиях.
Одностороннее освещение листа возбуждает электрическую разность потенциалов между освещенными и неосвещенными его участками и черешком, стеблем или корнем. Эта разность потенциалов выражает реакцию растения на изменения в его организме, связанные с началом или прекращением процесса фотосинтеза.
В практике распыления ядохимикатов в сельском хозяйстве выяснено, что на свеклу и яблоню в большей мере осаждаются химикаты с положительным зарядом, на сирень - с отрицательным. Несомая ветром цветочная пыльца имеет отрицательный заряд, приближающийся по величине к заряду пылинок при пылевых бурях, Вблизи теряющих пыльцу растений резко изменяется соотношение между положительными и отрицательными легкими ионами, что благоприятно сказывается на дальнейшем развитии растений.
Заряженные семена культурных растений имеют сравнительно высокую электропроводность и поэтому быстро теряют заряд. Семена сорняков ближе по своим свойствам к диэлектрикам и могут сохранять заряд более длительное время.
Это используется для отделения на конвейере семян культурных растений от сорняков.
Прорастание семян в сильном электрическом поле (например, вблизи коронирующего электрода) приводит к изменениям высоты и толщины стебля и густоты кроны развивающихся растений. Происходит это в основном благодаря перераспределению в организме растения под влиянием внешнего электрического поля объемного заряда.
Если в результате исследований удастся найти сумму наиболее благоприятных для развития растений характеристик действующего извне электрического поля, выращивание растений в парниках в еще большей мере будет подчинено воле человека.
Значительные разности потенциалов в организме растений возбуждаться не могут, поскольку растения не имеют специализированного электрического органа. Поэтому среди растений не существует древа смерти, которое могло бы убивать живые существа своей электрической мощностью.
Электризация снега в метелях
Великий русский ученый М.В. Ломоносов первым оценил особые электрические свойства льда. В результате опытов по электризации льда он установил, что из него выскакивает огонь с треском, буде он (лед) не имеет в себе воздушных пузырьков и по бокам не мокр. Им можно зажечь нефть.
Способность льда при натирании наэлектризовываться некоторые ученые XVIII века пытались использовать (не совсем удачно) для изготовления электростатических машин трения. Известный русский физик В.В.
Петров первый ставил опыты по изучению электропроводности льда.
При продувании надо льдом воздуха, очищенного от пыли и других взвешенных примесей, лед не электризуется. Если же направить на плоскую поверхность льда капельно-паровой поток, то в результате столкновения капелек воды со льдом происходит обмен зарядом и возникает положительная электризация льда и отрицательная воды.
Однако, если лед покрывается пленкой воды, электризация прекращается.
При продувании надо льдом воздуха, содержащего капельки тумана нашатырного спирта, каждый литр воздуха приобретает заряд около 2-10-11 кулона. В особо плотных аммиачных туманах этот заряд может увеличиться вдвое. Лед в этих условиях получает такой же по величине заряд, но противоположный по знаку.
Положительная электризация льда наблюдается и при продувании надо льдом печной сажи.
Продавливание воды через специально устроенные в образцах льда капилляры приводит к положительной электризации у льда и отрицательной у воды. Как правило, при трении о другие тела (стекло, сталь, медь) лед приобретает положительный заряд, а эти тела - отрицательный.
Но бывают и исключения. Так, при продувании сухого снега через сильно оксидированную железную решетку, у которой выход электронов за ее пределы, благодаря оксидированию поверхности облегчен, снег заряжается отрицательно.
При плавлении льда заряд находящегося над ним воздуха возрастает за счет выделения электрических зарядов из пузырьков воздуха, захваченного льдом ранее (при замерзании). Присутствие во льду примесей щелочей уменьшает и при достаточных концентрациях полностью ликвидирует дополнительную электризацию воздуха при плавлении льда.
Во время низовых метелей крупные кристаллы льда заряжаются отрицательно, а более мелкая Снежная пыль - положительно. Свежевыпавший снег во всех случаях обнаруживает более значительную электризацию, чем уже слежавшийся. При взвихривании снежной пыли в воздухе может возникать объемный заряд до 1-8 кулон! м3. Особенно сильные электрические поля (до 100 в/см) наблюдаются во время снежных метелей в полярных и высокогорных областях, где за счет электризации антенн сухим снегом весьма усиливаются помехи радиосвязи.
Сталкиваясь с проводами линий телефонной или телеграфной связи, снежинки из метельных потоков передают им свой заряд. При хорошей изоляции от земли, заряд может накопиться такой большой, что в прилегающем воздухе возникнет коронный разряд.
Покоритель Джомолунгмы Н. Тенсинг в 1953 году в районе Южного Седла этой горной вершины на высоте 7,9 км над уровнем моря при температуре - 30C и сухом ветре до 25 м/сек наблюдал сильную электризацию обледеневших брезентовых палаток, вставленных одна в другую. Пространство между палатками было наполнено при этом многочисленными электрическими искрами.
Любопытно отметить, что в сильных электрических полях кристаллы льда растут в виде тонких нитей, вытягивающихся вдоль поля. Наиболее сильные поля разрывают эти нити на множество мелких ледяных осколков.
Движение лавин в горах в безлунные ночи иногда сопровождается зеленовато-желтым свечением, благодаря чему лавины становятся видимыми. Обычно световые явления наблюдаются у лавин, которые движутся по снежной поверхности, и не наблюдаются у лавин, проносящихся по скалам. По-видимому, причиной свечения лавин является коронный электрический разряд наэлектризованных масс снега.
На озерах Антарктики во время полярной ночи иногда возникает свечение при разламывании крупных масс озерного льда. Свечение это -результат электрического разряда, возникающего при разрушении льда.
Известную ясность в вопрос сильной электризации ледяных кристаллов во время метелей может внести рассмотрение фотоэффекта с поверхности льда. Лабораторные исследования, показали, что фотоэлектрическая чувствительность льда значительно выше, чем у воды, и составляет около 70% фотоэлектрической чувствительности окиси меди, а для длины волны около 0,7 микрона перекрывает ее. Согласно другим данным, фотоэлектрическая чувствительность льда составляет 0,1...0,05 фотоэлектрической чувствительности цинка.
Все это говорит о том, что лед имеет сравнительно высокую фотоэлектрическую чувствительность и легко может отдавать свои электроны при контакте с другими телами с меньшей чувствительностью к фотоэффекту.
Заряжение, кристаллов льда во время снежных метелей можно, объяснить за счет обмена зарядом при контакте между собой плоской грани одного кристалла льда с острым выступом другого. Допустим, что выступ на плоской грани кристалла имеет форму цилиндра. Тогда электрическое поле, создаваемое периферическими электронами поверхности твердого тела в верхней части выступа будет в 2 раза больше, чем над плоской поверхностью. Если над первым выступом - цилиндром расположить второй с вдвое меньшим радиусом, над вторым - третий и т. д. вплоть до последнего выступа атомных размеров, то у конца последнего выступа электрическое поле окажется примерно в 10 раз большим, чем над плоской поверхностью.
Таким образом при контакте выступа одного кристалла льда с плоской поверхностью другого поверхностным электрическим полем электроны будут перегоняться с выступа на плоскость. Так как у мелких кристаллов относительное количество выступов больше, чем у крупных, то при контакте первые будут заряжаться положительно, а вторые отрицательно.
В поле силы тяжести затем происходит разделение зарядов. Более тяжелые кристаллы с отрицательным зарядом опускаются вниз, а более легкая снежная пыль с положительным зарядом остается взвешенной в воздухе.
Таким образом во время снежных метелей у земной поверхности могут возникать сильные электрические поля, а вблизи зарядившихся от снега наземных объектов - коронные и даже искровые электрические разряды.
Грозы планеты
Грозой называется процесс развития в атмосфере мощных электрических разрядов (молний), обычно сопровождаемых громом и связанных в большинстве случаев с укрупнением облаков и с ливнеобразным выпадением осадков. Прохождение грозы над местностью, как правило, сопровождается довольно значительными изменениями метеорологических параметров приземного слоя воздуха (падение температуры и повышение влажности воздуха, резкое изменение атмосферного давления, силы и направления ветра).
На ранних этапах человеческой истории такие явления, как гроза, приписывались действию богов. У восточных славян богом грома и молнии был Перун.
По воззрениям древних славян Перун приносил весной тепло и дождь и был олицетворением оплодотворяющего и карающего божества. После крещения Руси роль бога грома и молнии перешла к пророку Илье.
Боги грома и молнии известны в религиозных представлениях и других народов. Например, у многих первобытных племен существовало представление о грозе как об огромной птице, создававшей гром хлопаньем крыльев и молнии сверканием глаз.
Развитие науки привело к первым представлениям о сущности грозы. Греческие ученые Анаксимен и Анаксагор рассматривали явление грозы как результат сгущения воздуха в облаках. Сократ видел основную причину возникновения гроз в столкновении облаков, Демокрит - в их соединении. Эти представления были обобщены и развиты далее Аристотелем, считавшим, что молния и гром образуются благодаря воспламенению в облаках разнообразных горючих испарений и завихриванию их между облаками.
В эпоху средневековья представления о сущности грозового процесса не получили существенного развития.
Попытки ученых объяснить грозу как процесс электрического разряда относятся к началу XVIII века. Первую теорию грозы, в основных чертах соответствующую природе явления, дал на основании ряда экспериментальных исследований М.В. Ломоносов.
Согласно его представлениям, электризация облаков происходит за счет трения мерзлых паров о воздух, при этом под мерзлыми парами Ломоносов имел в виду лед, а воздух понимался им как смесь воздуха, водяного пара и мельчайших водяных капелек. Ломоносов особо подчеркивал, что разделение электрических зарядов и образование сильного электрического поля происходит только при интенсивных вертикальных восходящих и нисходящих течениях.
В настоящее время не решен окончательно вопрос, за счет чего получают заряд капельки воды и кристаллики льда в грозовых облаках. Одна группа ученых считает, что капельки и кристаллы льда захватывают заряд из воздуха, другая - что они заряжаются за счет обмена зарядом при контакте между собой.
В результате экспериментальных исследований установлено, что от нижней кромки грозового облака и до слоя с температурой 0C простирается водная часть облака. В области с температурой от 0C до - 15C сосуществуют вода и лед, и при температуре ниже - 15C облако обычно состоит только из ледяных кристаллов.
Капельная часть облака в основном имеет отрицательный заряд, ледяная - положительный. В средних широтах центр отрицательного заряда грозового облака располагается на высоте околоЗ км, а центр положительного - примерно на высоте 6 км.
Напряженность электрического поля внутри грозового облака составляет 100...300 вольт/см, но перед разрядом молнии в отдельных небольших объемах она может доходить до 1 600 вольт/см.
Грозовой процесс невозможен без разделения зарядов в облаке путем конвекции. Поле конвекции в облаках распадается на несколько ячеек (в некоторых грозах до 8). Каждая конвективная ячейка проходит стадию зарождения, зрелости и затухания.
В стадии зарождения во всей конвективной ячейке преобладают восходящие течения. В отдельных случаях скорость восходящих потоков достигает 30 м/сёк, в среднем же она составляет 10...12 м/сек.
Зрелая конвективная ячейка характеризуется развитием восходящих и нисходящих потоков, электрической активностью (разрядами молний) и выпадением осадков. Такая ячейка имеет горизонтальный диаметр 2...8 км и простирается в высоту до уровня с температурой - 40C.
В стадии затухания во всей конвективной ячейке преобладают слабые нисходящие течения с уменьшением электрической активности, и количества выпадающих в единицу времени осадков. Полный цикл жизни конвективной ячейки составляет около часа, длительность стадии зрелости равна 15... 30 минутам, стадии затухания - около 30 минут.
Гроза, продолжающаяся несколько часов, является результатом деятельности нескольких конвективных ячеек.
Молния представляет собой многократный разряд. Иногда она может состоять из 20 отдельных разрядов, чаще же из 5...6.
Паузы между отдельными разрядами составляют от 2 10-3 до 0,5 сек. Средняя длительность полного разряда молнии измеряется десятыми долями секунды, отклонения от среднего значения в обе стороны возможны на порядок величины. Длительность отдельных разрядов составляет 100...200 микросекунд, иногда доходит до 1 000 микросекунд.
Наиболее интенсивным и ветвящимся является первый разряд молнии. Средний заряд грозового облака составляет 30...50 кулонов, однако в одном из случаев отмечался заряд в 164 кулона, который переносился к земле в виде непрерывного и значительной силы тока.
В каждом разряде молнии переносится от 1 до 10 кулонов электричества. Диаметр канала молнии составляет 10...45 см.
Максимальный ток в канале может достигать величины в 340 000 ампер, однако в большинстве случаев наблюдаются токи, в сотни раз меньшие.
Большинство молний приносит к Земле отрицательный заряд, но иногда встречаются разряды и противоположной полярности. В первом случае грозы значительно богаче молниями, чем во втором. Отношение количества молний отрицательной полярности к молниям положительной полярности для зон умеренного климата составляет примерно 4: 1, для тропиков - 17:1.
Отношение отрицательных разрядов к положительным для молний, поражающих высокие здания, больше, чем для разрядов в равнинной местности.
В зонах умеренного климата разряды молний направляются по преимуществу к Земле, в тропиках же большинство разрядов происходит между облаками или внутри облака. Средняя длина молнии 2...3 км, но изредка между облаками могут проскакивать молнии длиной несколько более 20 км.
Разность потенциалов между грозовым облаком и Землей в верхнем пределе достигает 1 миллиарда вольт.
Площадь земной поверхности, на которой проявляются связанные с отдельной грозой электрические явления, простирается от 4 до 80 км2. Благодаря проводимости воздуха к земной поверхности на этой площади от облака поступает ток около 0,5 ампера, иногда до 2 ампер.
При прохождении гроз из острий растительного покрова, через острые выступы скал и остроконечные детали сооружений на земной поверхности в воздух стекает преимущественно положительный заряд. Потеря земной поверхностью положительного заряда превышает потерю отрицательного: для Англии в 1,36...2 раза, для Южной Африки - в 2,8 раза.
В высокогорных условиях вследствие разреженности воздуха разряд с острий значительно интенсивнее, чем в равнинной местности. Через изолированно стоящее на равнинной местности дерево во время грозы проходит ток порядка 0,1...0,07 микроампера, а через антенну длиной 900 м. со средней высотой над земной поверхностью 30...40 м и с диаметром проводов 7 мм в горной местности может проходить ток около 500...800 микроампер.
Наибольший разрядный ток у земной поверхностн был зарегистрирован с металлического острия длиной 15 мм и диаметром 0,5 мм, помещенного на семнадцатиметровую мачту: при градиенте потенциала у земли в 12,5 кв/м разрядный ток составлял 9,6 микроампера.
При сильных грозах почти всегда выпадает град, однако, он никогда не выпадает на всем пространстве, где наблюдается грозовая деятельность. Град возникает благодаря замерзанию облачных капель. Среди процессов, которые влияют на рост градин, важнейшим является слияние замерзших облачных капель с переохлажденными жидкими.
Вес наиболее крупных градин может достигать 10 кг, диаметр - 30 см. Однако градины диаметром более 1 см встречаются редко.
Выпадение града обычно длится 2...4 минуты, в горных же условиях иногда наблюдается выпадение града в течение 50 минут. Чаще всего град выпадает в центре грозы.
По СССР увеличение годового числа дней с градом наблюдается в районе возвышенностей (вплоть до высот 2...2,5 км). Над крупными водоемами вероятность выпадения града уменьшается за счет ослабления здесь конвекции.
Учитывая, что на Земле ежесекундно наблюдается в среднем около 100 разрядов линейной молнии, можно подсчитать среднюю мощность, которая затрачивается в масштабе всей Земли на образование гроз; она равняется 1018 эрг/сек. В связи с этим следует отметить, что энергия конденсации, выделяющаяся в грозовом облаке средних размеров с площадью основания около 30 км2 при дожде средней интенсивности, составляет около 1021 эрг.
Таким образом, энергия, выделяющаяся при выпадении осадков из грозового облака, значительно превышает его электрическую энергию.
